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Algebra · real student question

设 P(x) 是四次多项式,满足 P(1) = 1,P(2) = 5,P(3) = 9,P(4) = 13,P(5) = 1。求 P(x) 所有根之和。

Question

设 P(x)P(x) 是次数为 44 的多项式,满足

P(1)=1,P(2)=5,P(3)=9,P(4)=13,P(5)=1P(1)=1,\quad P(2)=5,\quad P(3)=9,\quad P(4)=13,\quad P(5)=1

求 P(x)P(x) 所有根之和。

Step-by-step solution

  1. 先在给出的数值里找规律,再动手做代数。 前四个函数值 1,5,9,131,5,9,13 每次增加 44,说明它们落在同一条直线上:

    L(x)=4x−3L(x)=4x-3

    因为 4(1)−3=14(1)-3=1,4(2)−3=54(2)-3=5,4(3)−3=94(3)-3=9,4(4)−3=134(4)-3=13。只有第五个值 P(5)=1P(5)=1 打破了规律(按直线应该是 1717)。

  2. 减去这条直线,人为制造出四个已知的根。 令

    Q(x)=P(x)−(4x−3)Q(x)=P(x)-(4x-3)

    那么 Q(1)=Q(2)=Q(3)=Q(4)=0Q(1)=Q(2)=Q(3)=Q(4)=0。减去一个一次多项式不会改变四次项,所以 QQ 仍是四次的——而一个已知四个根的四次多项式,除了一个常数因子外就完全确定了:

    Q(x)=a(x−1)(x−2)(x−3)(x−4),a≠0Q(x)=a(x-1)(x-2)(x-3)(x-4),\qquad a\neq 0

  3. 写出 PP 的显式表达式。 把减掉的部分加回来:

    P(x)=4x−3+a(x−1)(x−2)(x−3)(x−4)P(x)=4x-3+a(x-1)(x-2)(x-3)(x-4)

    这一个式子已经把五个条件中的四个装进去了;剩下的第五个条件用来定出 aa。

  4. 用 P(5)=1P(5)=1 求出 aa。 代入 x=5x=5:

    1=4(5)−3+a(4)(3)(2)(1)=17+24a1=4(5)-3+a(4)(3)(2)(1)=17+24a

    24a=−16⟹a=−2324a=-16\qquad\Longrightarrow\qquad a=-\frac{2}{3}

  5. 用韦达定理,注意 aa 会被约掉。 对 P(x)=Ax4+Bx3+…P(x)=Ax^4+Bx^3+\dots,所有根之和等于 −BA-\dfrac{B}{A}。只把最高的两项展开:

    (x−1)(x−2)(x−3)(x−4)=x4−(1+2+3+4)x3+⋯=x4−10x3+⋯(x-1)(x-2)(x-3)(x-4)=x^4-(1+2+3+4)x^3+\cdots=x^4-10x^3+\cdots

    于是 A=aA=a,B=−10aB=-10a(后面那个 4x−34x-3 对这两个系数都没有影响)。因此

    −BA=−−10aa=10-\frac{B}{A}=-\frac{-10a}{a}=10

    aa 的值被约掉了。算出 a=−23a=-\tfrac{2}{3} 是一个有用的复核,但答案其实只需要 a≠0a\neq 0,而这一点由 PP 的次数是 44 所保证。

  6. 写出答案。 PP 的四个根之和为

    10\boxed{10}

    用显式多项式 P(x)=−23x4+203x3−703x2+1123x−19P(x)=-\tfrac{2}{3}x^4+\tfrac{20}{3}x^3-\tfrac{70}{3}x^2+\tfrac{112}{3}x-19 复核:它确实还原了给定的五个函数值,且 −20/3−2/3=10-\tfrac{20/3}{-2/3}=10。

Answer

1010

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