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特殊多项式方程:倒数对称与四次配方

拓展更新于 2026-09-29

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先看结构,再选降次方法

多项式次数高,不表示必须使用一般求根公式。先检查零根、明显的一次因式、只含偶次幂、倒数对称等结构;这些结构决定可以采用的降次方法。

例如只含偶次幂的方程可以令 u=x2u=x^2,但求实根时必须保留 u≥0u\ge0;常数项为零先提出 xx 的幂,保留零根及其重数。一般三次式可平移消去二次项,见三次方程。本篇重点说明倒数对称与四次配方为什么能降次,以及何时需要另分情况。

倒数多项式与换元的依据

若 P(x)=a0x2m+a1x2m−1+⋯+a1x+a0P(x)=a_0x^{2m}+a_1x^{2m-1}+\cdots+a_1x+a_0,a0≠0a_0\ne0,系数关于中间项对称,则 x=0x=0 不是根。除以 xmx^m 后,各项可配成 xk+x−kx^k+x^{-k}。令 t=x+1/xt=x+1/x,记 Uk=xk+x−kU_k=x^k+x^{-k},则

U0=2,U1=t,Uk+1=tUk−Uk−1(k≥1).U_0=2,\quad U_1=t,\quad U_{k+1}=tU_k-U_{k-1}\quad(k\ge1).

证明。 展开 (x+x−1)(xk+x−k)(x+x^{-1})(x^k+x^{-k}),得到 Uk+1+Uk−1U_{k+1}+U_{k-1}。所以每个 UkU_k 都是 tt 的多项式,且 k≥1k\ge1 时恰为 kk 次、首项系数为一。前几项为

U2=t2−2,U3=t3−3t,U4=t4−4t2+2.U_2=t^2-2,\quad U_3=t^3-3t,\quad U_4=t^4-4t^2+2.

原来的 2m2m 次方程便化为至多 mm 次的 tt 方程。对实数 x≠0x\ne0,反解 x2−tx+1=0x^2-tx+1=0 要求 t2≥4t^2\ge4,所以只保留 t≤−2t\le-2 或 t≥2t\ge2;若 x>0x>0 则只保留后者。解出每个合法 tt 后,还要还原 x=(t±t2−4)/2x=(t\pm\sqrt{t^2-4})/2。t=±2t=\pm2 时两解重合。

奇数次的对称系数多项式在 x=−1x=-1 处为零:相对两项的指数奇偶相反,逐对相消。先提出 x+1x+1,再考察余下的偶次结构。不要直接给奇数次式除以带分数指数的 xn/2x^{n/2}。

例:四次倒数方程降为二次

解 x4−3x3+4x2−3x+1=0x^4-3x^3+4x^2-3x+1=0。常数项非零,故 x≠0x\ne0,除以 x2x^2 得

(x2+x−2)−3(x+x−1)+4=0.(x^2+x^{-2})-3(x+x^{-1})+4=0.

令 t=x+1/xt=x+1/x,化为 t2−3t+2=0t^2-3t+2=0,候选为 t=1,2t=1,2。实数范围排除 t=1t=1,由 t=2t=2 得 x=1x=1,代回成立。

若题目求复数解,就不能用实数范围排除 t=1t=1,还会得到 x=(1±i3)/2x=(1\pm i\sqrt3)/2。

四次方程的辅助配方

本节讨论实系数四次方程。先除以首项系数,再平移未知数消去三次项,得到

x4+px2+qx+r=0.x^4+px^2+qx+r=0.

若 q=0q=0,直接令 u=x2≥0u=x^2\ge0 求解。若 q≠0q\ne0,寻找 m>0m>0 使

(x2+s)2=(m x−q/(2m))2.(x^2+s)^2=(\sqrt m\,x-q/(2\sqrt m))^2.

比较系数可取 s=(p+m)/2s=(p+m)/2,并要求

m(p+m)2−4rm−q2=0.m(p+m)^2-4rm-q^2=0.

该三次多项式在 m=0m=0 为 −q2<0-q^2<0,足够大时为正,故至少存在一个正实根。选这样的 mm 后,两平方之差分解成两个二次式:

(x2−m x+s+q2m)(x2+m x+s−q2m)=0.\left(x^2-\sqrt m\,x+s+\frac q{2\sqrt m}\right) \left(x^2+\sqrt m\,x+s-\frac q{2\sqrt m}\right)=0.

各自用二次方程求根,再还原平移即可。选 m>0m>0 保证所有辅助量在实数范围有意义;不能把辅助三次式的任意根都拿来开平方。

例如 x4−2x−1=0x^4-2x-1=0 有 p=0,q=−2,r=−1p=0,q=-2,r=-1,辅助方程为 m3+4m−4=0m^3+4m-4=0。这说明降次的原理;实际解题若已有整式因式分解或对称换元,应优先使用更简洁的结构。

具体地,对首一四次式 y4+By3+Cy2+Dy+Ey^4+By^3+Cy^2+Dy+E,平移 y=x−B/4y=x-B/4 后,

p=C−3B28,q=D−BC2+B38,r=E−BD4+B2C16−3B4256.p=C-\frac{3B^2}{8},\quad q=D-\frac{BC}{2}+\frac{B^3}{8},\quad r=E-\frac{BD}{4}+\frac{B^2C}{16}-\frac{3B^4}{256}.

这些量由有限展开得到。上述两平方相等是原方程的等价改写,随后用平方差分解,因此不会引入平方增根;但每个二次式是否有实根仍须分别检查判别式。

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