一元三次方程求根公式推导

一元三次方程求根公式的推导过程比较复杂,需要借助复数和群论等高级数学工具。以下简单介绍一下这个公式的推导思路。

对于一元三次方程:

$ax^3+bx^2+cx+d=0$

我们可以将$x$表示为:

$x = \frac{1}{3a}(u+v) - \frac{b}{3a}$

其中,$u$和$v$是两个新的未知数。将$x$的表达式代入方程中,可以得到:

$a(\frac{1}{27a^3}(u+v)^3+\frac{1}{9a^2}(u+v)^2-\frac{bc}{6a^2}(u+v)-\frac{d}{2a})+b(\frac{1}{3a}(u+v)-\frac{b}{3a})^2+c(\frac{1}{3a}(u+v)-\frac{b}{3a})+d=0$

通过化简可以得到:

$u^3+v^3+3uv(\frac{b}{3a}-\frac{1}{3a}\sqrt[3]{\frac{-4a^3d+b^3c^2+4ab^2c^3-18abc^2d+27a^2d^2}{a^2}})=0$

其中,$\sqrt[3]{\frac{-4a^3d+b^3c^2+4ab^2c^3-18abc^2d+27a^2d^2}{a^2}}$是一个虚数。

我们可以设$w=u+v$,则方程可以进一步化简为:

$w^3+3(\frac{b}{3a})w^2+3(\frac{b^2}{9a^2}-\frac{c}{3a})w-(\frac{2b^3}{27a^3}-\frac{bc}{3a}+\frac{d}{a})=0$

这就是一元三次方程的标准形式,可以使用三次方程的求根公式来求解。解出$w$之后,我们可以回代到$x$的表达式中,得到方程的三个实根:

$x_1 = \frac{1}{3a}(w_1-\frac{b}{3})$

$x_2 = \frac{1}{3a}(w_2-\frac{b}{3})$

$x_3 = \frac{1}{3a}(w_3-\frac{b}{3})$

其中,$w_1,w_2,w_3$分别是$w^3+3(\frac{b}{3a})w^2+3(\frac{b^2}{9a^2}-\frac{c}{3a})w-(\frac{2b^3}{27a^3}-\frac{bc}{3a}+\frac{d}{a})=0$的三个实根。

需要注意的是,由于三次方程的求根公式比较复杂,一般情况下我们并不会使用这个公式来求解一元三次方程,而是采用数值计算方法来求近似解。例如,可以使用牛顿迭代法、二分法、割线法等数值计算方法来逼近方程的实根。这些方法具有计算简便、精度高等优点,被广泛应用于工程、科学、计算机等领域。

以牛顿迭代法为例,其基本思路是通过不断迭代的方式逼近方程的实根。具体步骤如下:

1.选取一个初始值$x_0$,计算$f(x_0),f'(x_0)$。

2.根据牛顿迭代公式计算下一个近似解$x_1$:

$x_1 = x_0 - \frac{f(x_0)}{f'(x_0)}$

3.计算$f(x_1),f'(x_1)$,然后根据牛顿迭代公式计算下一个近似解$x_2$:

$x_2 = x_1 - \frac{f(x_1)}{f'(x_1)}$

4.重复步骤3,直到达到所需的精度或迭代次数。

在使用牛顿迭代法求解一元三次方程时,我们需要将方程变形为$f(x)=0$的形式,然后求出$f'(x)$的表达式。然后,我们可以根据牛顿迭代公式计算$x$的近似解,最终得到方程的实根。

总之,一元三次方程求根公式的推导比较复杂,但是数值计算方法提供了一种计算简便、精度高的途径,可以在工程、科学、计算机等领域得到广泛应用。