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最簡三角方程的解集公式推導
最簡三角方程的解集公式推導
更新时间:2026-06-01 15:55:58

本文信息量較大,老黃就不啰嗦直奔主題了。

求x^3/3-x^2 2=0的實根,保留三位有效數字.

解法1:牛頓切線法的應用,這是一種數值求解法,隻能得到方程的近似解。關于牛頓切線法的原理,老黃在“老黃學高數”系列視頻第211講中有詳細介紹,如果沒有基礎,可以先搜出來看看。

解1:記f(x)=x^3/3-x^2 2,則f’(x)=x^2-2x, f”(x)=2x-2,

f’(0)=f’(2)=0, 【即函數有兩個穩定點】

f”(0)=-2<0, f”(2)=2>0, f有極大值f(0)=2>0, 極小值f(2)=2/3>0, 【說明函數在兩個極點之間沒有零點】

由三次函數的性态知, f(x)=0隻有一個實根ξ.【當三次函數y=ax^3 bx^2 cx d的系數a>0,且兩個極值都大于0時,函數有唯一零點,在兩個極值點的左側。】

又f(-1)=2/3>0, f(-2)=-14/3<0; ∴ξ∈(-2,-1).【有經驗的話,檢驗很快可以完成,沒有經驗的話,可能需要多檢驗幾次,就是要得到一個單位區間,兩個端點的函數值相反。由根的存在性定理,就可以知道函數的零點在這個區間上。而且這個區間上,函數還必須具有單調性和凸性】

當x∈[-2,-1]時,f’(x)>0,f”(x)<0.【牛頓切線法有四種情形,這屬于第三種情形,如下圖所示,注意,這個圖代表牛頓切線法的一種情形,而非三次函數圖像的一部分】

最簡三角方程的解集公式推導(求三次方程的近似解)1

從點A(-2,-14/3)作切線與x軸相交于x1=-2- (f(-2))/(f'(-2)) ≈-1.417.【這一步是牛頓切線法的核心步驟,接下來按一般的方法是檢驗x1與方程實根的誤差。但方法并非隻有一種,下面采用的是繼續求x2的方法,反正x1鐵定是不準确的嘛】

x2=-1.417- (f(-1.417))/(f' (-1.417)) ≈-1.219.【你瞧,這個結果和x1相差了差不多有0.2,可見x1有多不準确,那x2怎麼樣?還是不合适,還得繼續“相親”】

x3=-1.219- (f(-1.219))/(f′ (-1.219)) ≈-1.196. 【感覺還不滿意,因為它與x2相差了0.023,誤差可能還比較大,再“相”一個】

x4=-1.196- (f(-1.196))/(f′ (-1.196)) ≈-1.195. 【注意到沒有,{xn}似乎以-1.20為極限,所以就以-1.20為近似解,正好保留3位有效數字】

……取ξ≈-1.20.

最簡三角方程的解集公式推導(求三次方程的近似解)2

下面看看這個函數在零點和兩個極值點附近的圖像是怎麼樣的,當然,畫圖像并非必要的。

最簡三角方程的解集公式推導(求三次方程的近似解)3

那麼這種解法得到的近似解,到底精确度怎麼樣呢?下面再嘗試第二種方法。

解法2:卡爾丹公式法是一種解析法,理論上是可以得到三次函數的準确根的。但它是一個複雜的根式形式,不取近似數,其實意義也不大。這種方法必須先把方程化為x^3 px q=0的形式。

解:将方程化為:t^3-3t 4=0, t=x-1,【這一步如果你理解不了,那很好辦,把t=x-1代回去就可以化為原方程】

p=-3, q=4, △=(q/2)^2 (p/3)^3=3>0, 【卡爾丹公式中,判别式△>0,說明方程有一個實根和兩個共轭虛根】

u=三次根号(-q/2 √∆), v=三次根号(-q/2 √∆),

t=u v=三次根号(-q/2 √∆) 三次根号(-q/2 √∆)≈-0.645-1.551=-2.20, 【直接将計算器用起來,不要忘了x=t 1】

x=t 1=-1.20.

最簡三角方程的解集公式推導(求三次方程的近似解)4

比較一下兩種方法,當然是卡爾丹公式法更好了。但卡爾丹公式法隻是針對三次方程的,更高次的方程,或者其它不具有求根公式的方程要求近似解,還要運用牛頓切線法,才有普遍性哦。

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