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Algebra · real student question

解方程 x³ − 0.016875x² + 0.000094921875x − 1.77975547e−7 = 0。

Question

解关于 xx 的方程:

x3−0.016875x2+0.000094921875x−1.77975547×10−7=0x^3-0.016875x^2+0.000094921875x-1.77975547\times10^{-7}=0

Step-by-step solution

  1. 先试试前三项是不是一个完全立方。 对照 (x−a)3=x3−3ax2+3a2x−a3(x-a)^3=x^3-3ax^2+3a^2x-a^3,由 x2x^2 的系数得 3a=0.0168753a=0.016875,即 a=0.005625a=0.005625。再验一次项:3a2=3(0.005625)2=3(0.000031640625)=0.0000949218753a^2=3(0.005625)^2=3(0.000031640625)=0.000094921875——完全吻合。这不是巧合,方程本来就是用一个平移的立方造出来的。

  2. 把方程改写成「纯立方 + 常数」。 因为 a3=(0.005625)3=1.77978515625×10−7a^3=(0.005625)^3=1.77978515625\times10^{-7},

    x3−0.016875x2+0.000094921875x=(x−0.005625)3+a3x^3-0.016875x^2+0.000094921875x=(x-0.005625)^3+a^3

    于是方程变成

    (x−0.005625)3=1.77975547×10−7−1.77978515625×10−7=−2.968625×10−12(x-0.005625)^3=1.77975547\times10^{-7}-1.77978515625\times10^{-7}=-2.968625\times10^{-12}

  3. 取实立方根。 一个实数恰好只有一个实立方根,所以

    x−0.005625=−2.968625×10−123=−1.4372041×10−4x-0.005625=-\sqrt[3]{2.968625\times10^{-12}}=-1.4372041\times10^{-4}

    x=0.005625−0.00014372=0.00548128x=0.005625-0.00014372=0.00548128

    负号之所以保留下来,是因为等式右边本来就是负的。

  4. 再交代另外两个根。 剩下两根来自单位的复立方根,即 x=a+r e±2πi/3x=a+r\,e^{\pm 2\pi i/3},其中 r=−1.4372041×10−4r=-1.4372041\times10^{-4}:

    x≈0.00569686±0.00012447 ix\approx 0.00569686\pm 0.00012447\,i

    所以这个三次方程有一个实根和一对共轭复根——它并没有实重根;从判别式也能看出这一点,(x−a)3=c(x-a)^3=c 只有在 c=0c=0 时才有三重根。

  5. 把实根直接代回验证。 取 x=0.005481279590x=0.005481279590:x3=1.6468×10−7x^3=1.6468\times10^{-7},−0.016875x2=−5.0700×10−7-0.016875x^2=-5.0700\times10^{-7},+0.000094921875x=5.2029×10−7+0.000094921875x=5.2029\times10^{-7},−1.77975547×10−7-1.77975547\times10^{-7}。加起来是 −1.3×10−20-1.3\times10^{-20},在机器精度下就是零 ✓。而如果换成常被引用的 0.00568083110.0056808311,残差约在 10−1210^{-12} 量级,说明那个值并不是根。

Answer

x≈0.00548128(唯一的实根;另外两个是 0.00569686±0.00012447 i)x\approx0.00548128\quad\text{(唯一的实根;另外两个是 }0.00569686\pm0.00012447\,i\text{)}

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