Algebra · real student question

4 次方程式 2x^4 - 9x^3 + 3x^2 + 11x - 3 = 0 を解き、4 つの解をすべて求めよ。

Question

次の方程式を解け。

2x49x3+3x2+11x3=02x^4-9x^3+3x^2+11x-3=0

4 つの解をすべて求めよ。

Step-by-step solution

  1. 有理数解の候補を列挙する。 有理根定理より、有理数解 p/qp/q では pp が定数項 3-3 を割り、qq が最高次の係数 22 を割る。よって候補は

    ±1,±3,±12,±32\pm 1,\quad \pm 3,\quad \pm\tfrac12,\quad \pm\tfrac32

    の 8 個であり、当てずっぽうよりはるかによい。

  2. 候補を試して最初の解を見つける。 f(x)=2x49x3+3x2+11x3f(x)=2x^4-9x^3+3x^2+11x-3 と書くと:

    f(1)=29+3+113=4,f(3)=162243+27+333=24f(1)=2-9+3+11-3=4,\qquad f(3)=162-243+27+33-3=-24
    f(1)=2+9+3113=0f(-1)=2+9+3-11-3=0

    よって x=1x=-1 が解であり、(x+1)(x+1) が因数である。係数の見た目に誘われるが x=3x=3 は解ではない。決めつけずに必ず値を計算すること。

  3. 組立除法で (x+1)(x+1) を割り出す。 係数 2,9,3,11,32,\,-9,\,3,\,11,\,-3 を下ろし、1-1 を使うと:

    211143 02 \quad -11 \quad 14 \quad -3 \quad | \ 0

    なので

    2x49x3+3x2+11x3=(x+1)(2x311x2+14x3)2x^4-9x^3+3x^2+11x-3=(x+1)\left(2x^3-11x^2+14x-3\right)

    余りが 00 になることで割り算が確かめられる。4 次の問題が 3 次の問題になった。

  4. 同じ候補の中から 3 次式の解を探す。 g(x)=2x311x2+14x3g(x)=2x^3-11x^2+14x-3 について:

    g(1)=2,g(3)=6,g ⁣(12)=32,g ⁣(32)=274994+213=0g(1)=2,\qquad g(3)=-6,\qquad g\!\left(\tfrac12\right)=\tfrac32,\qquad g\!\left(\tfrac32\right)=\tfrac{27}{4}-\tfrac{99}{4}+21-3=0

    よって x=32x=\tfrac32 が解で、因数 (2x3)(2x-3) を与える。割ると

    2x311x2+14x3=(2x3)(x24x+1)2x^3-11x^2+14x-3=(2x-3)\left(x^2-4x+1\right)

  5. 残った二次方程式を解く。 最後の因数に有理数解はないので、x24x+1=0x^2-4x+1=0 に解の公式を使う:

    x=4±1642=4±232=2±3x=\frac{4\pm\sqrt{16-4}}{2}=\frac{4\pm 2\sqrt3}{2}=2\pm\sqrt3

  6. まとめて因数分解を検算する。 全体として

    2x49x3+3x2+11x3=(x+1)(2x3)(x24x+1)2x^4-9x^3+3x^2+11x-3=(x+1)(2x-3)\left(x^2-4x+1\right)

    となる。右辺を展開するともとの係数 2,9,3,11,32,\,-9,\,3,\,11,\,-3 が再現される。もう 1 つの確認として解と係数の関係を使う:4 つの解の和は 1+32+(23)+(2+3)=92-1+\tfrac32+(2-\sqrt3)+(2+\sqrt3)=\tfrac9292-\frac{-9}{2} に一致し、積は 132(43)=32-1\cdot\tfrac32\cdot(4-3)=-\tfrac3232\frac{-3}{2} に一致する。

Answer

x=1,x=32,x=230.2679,x=2+33.7321x = -1,\quad x = \tfrac{3}{2},\quad x = 2-\sqrt{3}\approx 0.2679,\quad x = 2+\sqrt{3}\approx 3.7321

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