考研数学:使用有理根定理和多项式除法来解一元多次整系数方程

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在考研数学中,求解一元高次方程(通常指三次及以上)的实数根是一个常见考点。这类题目往往设计精巧,不会要求考生使用繁琐的求根公式,而是考查对有理根定理多项式除法的综合应用能力。掌握这套“组合拳”,能让你在考场上快速、准确地解决此类问题。

一、核心武器库:有理根定理

有理根定理为我们提供了寻找方程有理根(如果存在的话)的系统性方法。

  1. 定理内容: 对于一个一元 n 次整系数多项式方程:

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其任何可能的有理根x=pq必须满足:其任何可能的有理根x=\frac{p}{q}必须满足:

p是常数项a0​的因数。q是最高次项系数an​的因数。p是常数项 a_0​ 的因数。 q是最高次项系数 a_n​ 的因数。
  1. 操作步骤
  • 列出所有候选根:找出a0a_0​ 的所有正负因数(pp)和 ana_n​ 的所有正负因数(qq),然后列出所有可能的有理数pq\frac{p}{q}​(通常需约分为最简形式)。

  • 代入验证(试根) :将候选根逐个代入原方程,若满足f(x)=0 f(x)=0,则该值即为方程的一个根。

考研应用提示:考研真题中的方程,其有理根通常是较小的整数,如±1,±2,±3 ±1,±2,±3优先尝试这些数值可以节省大量时间。

二、降维打击:多项式除法

当我们通过有理根定理找到一个根x=kxx=kx后,就意味着多项式含有因式 (xk)(x−k)。此时,我们需要使用多项式除法(或综合除法)来降低方程的次数。

  1. 多项式除法(长除法) : 将原多项式 f(x)f(x) 除以因式(xk)(x−k),得到一个商式g(x) g(x)(次数比原式低一次)和一个余数。若 kkk 确实是根,则余数必为0。即有:

    f(x)=(xk)g(x)f(x)=(x−k)⋅g(x)

    原方程f(x)=0就转化为(xk)g(x)=0 f(x)=0 就转化为 (x−k)⋅g(x)=0。

  2. 综合除法(快速技巧) : 综合除法是多项式除法的简化版,更适合线性因式 (x−k)(x - k)(x−k),计算更便捷,书写更简洁,是考场上强烈推荐的技巧。

三、实战四步法:解题流程

面对一道一元高次方程求解题,请遵循以下四步:

第一步:观察整理 将方程所有项移到等号一侧,按降幂排列,确保是标准形式f(x)=0 f(x)=0。

第二步:有理试根

  • 列出所有可能的有理根候选。
  • 优先尝试±1,±2±1,±2 等简单整数。
  • 找到一个根 x=kxx=kx

第三步:降次分解 利用综合除法,用找到的根 kk 对原多项式进行降次,得到商式 g(x)g(x)。 即:f(x)=(xk)g(x)f(x)=(x−k)⋅g(x)

第四步:求解余式 方程转化为:

(xk)g(x)=0(x−k)⋅g(x)=0

  • xk=0,得x1=k x−k=0,得 x_1=k。
  • g(x)=0。如果g(x) g(x)=0。如果 g(x) 是二次式,可直接用求根公式;若次数仍较高,则对 g(x)g(x) 重复第二步第三步,直至所有根都被求出。

四、真题演练

例题:求解方程 f(x)=x42x33x2+4x+4=0f(x) = x^4 - 2x^3 - 3x^2 + 4x + 4 = 0

  1. 试根:常数项为4,系数为1。可能有理根:±1,±2,±4±1,±2,±4。

    • x=1:f(1)=1+234+4=0 x=−1: f(−1)=1+2−3−4+4=0找到第一个根x1=1x_1=−1
  2. 综合除法(降次) :用 −1-1−1 对多项式进行综合除法。

    系数: | 1   -2   -3    4    4-1 |     -1    3    0    -4
          | --------------------------
          |  1  -3    0    4    0
    

商式为x33x2+4,余数为0f(x)=(x+1)(x33x2+4). x^3 - 3x^2 + 4,余数为0。 ∴ f(x) = (x + 1)(x^3 - 3x^2 + 4).

  1. 对商式 g(x)=x33x2+4g(x) = x^3 - 3x^2 + 4 重复过程

    • 试根可能根±1,±2,±4可能根 ±1,±2,±4。h

      • x=2:g(2)=812+4=0x=2: g(2)=8−12+4=0找到第二个根 x2=2x_2 =2
    • 综合除法:用 2 对 g(x)g(x) 进行综合除法。

      系数:| 1   -3    0<-不要漏 42 |       2   -2   -4
           | --------------------
              1   -1   -2    0
      

      新的商式为x2x2x^2 - x - 2,余数为0。g(x)=(x2)(x2x2)综上:f(x)=(x+1)(x2)(x2x2) ∴ g(x) = (x - 2)(x^2 - x - 2) 综上:f(x) = (x + 1)(x - 2)(x^2 - x - 2)

  2. 解低次方程:分解 x2x2=(x2)(x+1)f(x)=(x+1)2(x2)2=0x^2 - x - 2 = (x - 2)(x + 1)。 ∴ f(x) = (x + 1)^2 (x - 2)^2 = 0

  3. 最终解

    (x+1)2=0(x2)2=0(x + 1)^2 = 0 \quad \text{或} \quad (x - 2)^2 = 0

    得方程的解为:x1=x2=1,x3=x4=2(二重根)。\boxed{x_1 = x_2 = -1,\quad x_3 = x_4 = 2}(二重根)。

五、总结与备考建议

  • 核心思维:有理根定理是“探测器”,多项式除法是“拆解器”,二者结合,将高次方程拆解为我们会解的低次方程。
  • 效率优先:在考场上,综合除法远比多项式长除法快捷,务必熟练掌握。
  • 练习重点:多找考研真题中的类似题目进行练习,尤其注意方程有重根根为分数等稍复杂的情况,做到熟能生巧。