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Algebra · real student question

解 0.2 * 0.2 * x^6 + (1 + 0.2 * 0.2) x^4 + x^2 - 4 = 0。

Question

解

0.2⋅0.2 x6+(1+0.2⋅0.2)x4+x2−4=00.2\cdot 0.2\,x^{6}+\left(1+0.2\cdot 0.2\right)x^{4}+x^{2}-4=0

Step-by-step solution

  1. 先把小数系数算简。 由 0.2×0.2=0.040.2\times 0.2=0.04、1+0.04=1.041+0.04=1.04,方程就是

    0.04x6+1.04x4+x2−4=00.04x^{6}+1.04x^{4}+x^{2}-4=0

  2. 两边乘 25 去掉小数。 因为 25×0.04=125\times 0.04=1、25×1.04=2625\times 1.04=26:

    x6+26x4+25x2−100=0x^{6}+26x^{4}+25x^{2}-100=0

    改用整数运算,后面求根时就不会有舍入误差累积的风险。

  3. 换元 y=x2y=x^{2} —— 式中只出现偶次幂。 由 x6=y3x^{6}=y^{3}、x4=y2x^{4}=y^{2}:

    y3+26y2+25y−100=0y^{3}+26y^{2}+25y-100=0

    次数从六降到三,而且关键在于 y=x2≥0y=x^{2}\ge 0,所以只有非负的根 yy 才能给出实数 xx。

  4. 先试有理根,再转数值方法。 候选 ±1,±2,±4,±5,±10,±20,±25,±50,±100\pm1,\pm2,\pm4,\pm5,\pm10,\pm20,\pm25,\pm50,\pm100 全都不成 —— 例如 y=1y=1 给出 −48-48,y=2y=2 给出 +62+62。于是 11 与 22 之间的变号就把那个唯一的正根定了位,它只能用数值方法求。

  5. 把正根算准。 对 f(y)=y3+26y2+25y−100f(y)=y^{3}+26y^{2}+25y-100 从 y=1.5y=1.5 出发做牛顿迭代,收敛到

    y=1.5056857750y=1.5056857750

    这里的验证很要紧:f(1.5056858)=0.0000027f(1.5056858)=0.0000027,而附近一个错误的值比如 y=1.417075y=1.417075 会给出 f=−9.5f=-9.5,离零差得远。另外两个根 y≈−2.6747y\approx-2.6747 与 y≈−24.8310y\approx-24.8310 都是负的,给不出实数 xx。

  6. 换回 xx。 由 x2=1.5056857750x^{2}=1.5056857750,

    x=±1.5056857750=±1.2270638838x=\pm\sqrt{1.5056857750}=\pm 1.2270638838

    代回检验:0.04(1.22706)6+1.04(1.22706)4+(1.22706)2−4=−0.0000420.04(1.22706)^{6}+1.04(1.22706)^{4}+(1.22706)^{2}-4=-0.000042 ✓。这个六次方程恰有两个实根和四个复根。

Answer

x=±1.5056857750≈±1.2270639x=\pm\sqrt{1.5056857750}\approx\pm 1.2270639

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