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Algebra · real student question

解方程 0 = 0.7x + 6.804e10 · x⁴ − 1210.23,求出所有实数 x。

Question

解方程

0=0.7x+6.804×1010x4−1210.230=0.7x+6.804\times10^{10}x^{4}-1210.23

求出所有实数 xx。

Step-by-step solution

  1. 先化成标准形式,并估一下量级。 重新排列:

    6.804×1010x4+0.7x−1210.23=0.6.804\times10^{10}x^{4}+0.7x-1210.23=0.

    首项系数大得离谱,所以 xx 还很小的时候,x4x^{4} 项就已经能和常数项同一个量级了。这与首项系数极小的四次方程正好相反——后者的根会很大。

  2. 先扔掉一次项,拿一个初步估计。 只让两个主导项平衡:

    6.804×1010x4≈1210.23  ⟹  x4≈1.7787×10−8  ⟹  ∣x∣≈0.0115485.6.804\times10^{10}x^{4}\approx1210.23\;\Longrightarrow\;x^{4}\approx1.7787\times10^{-8}\;\Longrightarrow\;|x|\approx0.0115485.

    这里的忽略确实站得住脚:在这个 xx 处,一次项 0.7x≈0.00810.7x\approx0.0081 比 1210.231210.23 小了五个数量级。又因为 x4x^{4} 是偶次的,这个估计立刻提示存在两个根,一个在 +0.0115+0.0115 附近,一个在 −0.0115-0.0115 附近。

  3. 确认确实有两次变号。 让 f(x)=6.804×1010x4+0.7x−1210.23f(x)=6.804\times10^{10}x^{4}+0.7x-1210.23 在 [−1,1][-1,1] 上扫一遍,恰好找到两次变号,分别在 −0.011549-0.011549 和 +0.011548+0.011548 附近。只报正根——最容易犯的漏答——就丢掉了一半答案。

  4. 对每个区间用二分法逼到满精度。 不断折半直到 ∣f∣<10−12|f|<10^{-12}:

    x+=0.0115484893,x−=−0.0115485279.x_{+}=0.0115484893,\qquad x_{-}=-0.0115485279.

    两者几乎、但并不严格互为相反数:0.7x0.7x 项轻微破坏了对称性,把负根推得离零稍远一点。有人给出的 0.01154250.0115425 精度不够——在那里 f≈−2.51f\approx-2.51,而不是 00。

  5. 代回验证。 在 x=0.0115484893x=0.0115484893 处,四次项是 1210.2221210.222,一次项是 0.0080840.008084,两者合起来与 1210.231210.23 抵消到 9×10−69\times10^{-6} 以内 ✓。在 x=−0.0115485279x=-0.0115485279 处四次项是 1210.2381210.238,一次项是 −0.008084-0.008084,同样加起来为零 ✓。这个四次方程剩下的两个根是一对共轭复根。

Answer

x≈0.0115484893与x≈−0.0115485279x\approx 0.0115484893\quad\text{与}\quad x\approx -0.0115485279

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