21
О границах корней кубического уравнения
Как известно, формулы, позволяющие точно выразить корни кубического уравнения через его коэффициенты, веса громодики. Поэтому часто выдается важно приближение оценить корни кубического уравнения.
В этой статье оценывают границы, в которых могут лежать действительные корни кубического уравнения.*)
Рассмотрим кубическое уравнение
(1)
козффициенты — действительные числа, . Первое слагаемое в левой части уравнения (1) называется его стариим членом, последнее слагаемое — свободным членом.
Как известно**), уравнение (1) имеет три корня, один из которых — действительный, а два других — либо действительный, либо комплексно-сопряженные. Нас будут интересовать только действительные корни уравнения (1). Наша цель такова: не вычисляя самих корней, получим некоморные границы (оценки) для них, то есть указыва на действительной оси интегралы, в которых лежат эти корни.
Для этого вместе с уравнением (1) рассмотрим многочлен третий степени
Что можно сказать о поведении этой функции при больших по абсолотной величины значениях ? Если аргумент принимает возрастание по абсолотной величины значения, то абсо-
*) Эта статья—продолжение цикла материалов, посвященных кубическим уравнением (см. «Квант», 1971, №11, 1972, №6).
**) См. «Квант», 1971, №11, c. 20—21.
лотная величина каждого члена правой части уравнения (2) будет возрастать, причем тем быстрее, чем выше степень этого члена.
Ясно, что быстрее всего будет возрастать абсолотная величина старшего члена . Поэтому можно ожидать, что если выбрать значение достаточно большим, то абсолотная величина старшего члена будет больше абсолотной величины суммы всех остальных членов, то есть
Докажем, что это неравенство справедливо для всех , достаточно больших по абсолотной величины.
Поскольку абсолотная величина суммы не превышает суммы абсолотных величины слгаемых, то
Положив, , перепишем это неравенство:
Козффициенты и , стоящие в правой части неравенства (4),—неотрицательные действительные числа; обозначим наибольшее из них через :
Если в правой части неравенства (4) вместо каждой из коэффициентов подставить число ,
22
то неравенство (4) от этого только успешся. Следовательно, справедливо неравенство
которое, если воспользоваться известным тождеством,
можно записать в виде
Так как нас интересют большие значения , то будем считать, что . Но тогда
и потому неравенство (6) примет вид
(7)
Если нам удостся показать, что абсолотная величины старшего члена для всех достаточно больших по абсолотной величины значений (таких, что выполнен и условие ) большие выражения , стоящого в правой части неравенства (7), то неравенство (3) будет доказано. Посмотрим, как надо выбрать , чтобы выполнялось неравенство , то есть
Решая полученное неравенство относительно , находим, что оно заведomo выполнен для всех
Так как (ибо ), то при условии (8) всегда выполнен и неравенство . Тем самым установлено, что неравенство (3) справедливо для
Отсюда следует, что для значений , удовлетворяющих условия (9), функция (2) не может обратиться в нуль. Другими словами, все действительные корни уравнения (1) удовлетворяют неравенству
Положительное число называется верхней границей действительных корней кубического уравнения (1).
Okазывается, что можно найти и нижнюю границу действительных корней кубического уравнения (1), то есть такое неотрицательное число , что все действительные корни уравнения (1) удовлетворяют неравенству .
Для этого следует в уравнения (1) замену
(11)
Тогда после очередных преобразований получим уравнение
(Bудем считать, что в уравнения (1) свободный член , либо случай интереса не представляется (уравнение (1) в этом случае имеет корень , а остальные его корни определяются из квадратного уравнения).
Так как (см. (11)), то ясно, что из неравенства , где , следует неравенство .
Позному если в качестве взять верхнюю границу действительных корней уравнения (12), то число будет ижней границей действительных корней уравнения (1). Но верхнюю границу действительных корней уравнения (12) находится мы уже умеем (см. (5), (10)):
где
(13)
23
Позному нижняя граница действительных корней кубического уравнения (1) такое:
Остается заметить, что эта формула годится и в случае , тогда нижняя граница, очевидно, равна нулю (ибо имеет нулевой корень), и именно этот же результат получается по формуле (14) (при этом, конечно, , либо в уравнения (1) по предположению ).
Подведем итог: все действительные корни кубического уравнения (1) удовлетворяют неравенству
еде числа и определяются через коэффициенты уравнения по формулам (10), (5) и (14), (13). Другими словами, действительные корни кубического уравнения (1) могут лежать только на отрезках и действительной оси; вне этих отрезков действительных корней уравнения (1) заведено не имеет.
При мер. Рассмотрим уравнение
Здесь , , а потом . Таким образом, верхняя граница действительных корней рассматривается равна . Далее, , , а потом . Следовательно, нижняя граница действительных корней рассматривается равна . Другими словами, вещественные корни рассматривается лежать на отрезках и .
Из старого словаря
(Продолжение Начало см. c. 20)
Посмотрим на словоэлектрическо. Читаем: «… Вещесво, тончайшее из всех известных жидких тел, сообщающее почти со всеми телами, в большей или меньшей мере, и движущееся с необыкновенной скоростью».
К этому описанию можно добавить, что в начале XIX века считалось, что существуют две электрические жидкости, отвечающие двум зарядам — положительнымному и отрицательному. К этим жидкостям добавились еще две магнитные (северный и южный магнитизм), жидкость, связанная с силой тяжестеги, и теплород.
Интересно, что в Словаре различаются «тяжестеги сила, побуждающая всяя всяя телятемь к низу или к центру Земли», и «всеобщее тяготение — взамное привлечение всех небесных тел».
Можно понять, почему с теплотой и электрическом связывании существование специфических жидкости. Физики заметили, что в природае нечто, что сохраняет. Простейшим и самым понятным законом был закон сохранения вещества — в частиности, жидкости. Этим законом широко пользовались в гидродинамике. Поэтому и с другими сохраненными долгов питания долговпись связываться специфические жидкости. То, что эти жидкости должны быть необычайно легко проникать во все тела, на первых порах малого смуса: тела представлялись простыми, а жидкости «тонкими».
(Окончание см. c. 28)