Теорема Виета

Формулы теоремы Виета

Рассмотрим квадратное уравнение


\(ax^2+bx+c=0,\) \(a\neq0.\)

 

Если оно имеет действительные корни \(x_1\) и \(x_2\), то по теореме Виета


\(\boxed{
\begin{cases}
x_1+x_2=-\dfrac{b}{a},\\[0.5em]
x_1x_2=\dfrac{c}{a}.
\end{cases}}\)

 

  • При \(D>0\) корни различны.
  • При \(D=0\) корни совпадают, но формулы Виета всё равно выполняются, если считать один и тот же корень дважды.

 

Для приведённого квадратного уравнения \(x^2+bx+c=0\) формулы принимают особенно простой вид:


\(\boxed{
\begin{cases}
x_1+x_2=-b,\\
x_1x_2=c.
\end{cases}}\)

 

Именно поэтому при \(a=1\) корни часто удобно подбирать устно.

 

 

 

Почему формулы Виета верны

Если \(x_1\) и \(x_2\) --- корни квадратного уравнения, то квадратный трёхчлен можно представить в виде 

 

\(a(x-x_1)(x-x_2)\)

 

Раскроем скобки:

 \(a(x-x_1)(x-x_2)=a\left(x^2-(x_1+x_2)x+x_1x_2\right),\) 

то есть

\(a(x-x_1)(x-x_2)=ax^2-a(x_1+x_2)x+ax_1x_2\)

 

Сравниваем коэффициенты с \(ax^2+bx+c.\)

 

Получаем\(-a(x_1+x_2)=b,\) \(ax_1x_2=c.\)

 

Следовательно, \(x_1+x_2=-\dfrac{b}{a},\) \(x_1x_2=\dfrac{c}{a}.\)

 

 

 

Обратная теорема Виета

Теорема Виета сообщает свойства уже существующих корней. При решении уравнений особенно важна и обратная теорема Виета.

 

Если два числа \(x_1\) и \(x_2\) удовлетворяют 

 

\(x_1+x_2=-\dfrac{b}{a},\) \(x_1x_2=\dfrac{c}{a},\)


то эти числа являются корнями уравнения \(ax^2+bx+c=0\)

 

Действительно, \(a(x-x_1)(x-x_2)=ax^2-a(x_1+x_2)x+ax_1x_2=ax^2+bx+c\)

 

Поэтому, когда мы "подбираем корни по Виету", фактически используем именно обратную теорему Виета.

 

 

 

Как подобрать корни

Для приведённого уравнения \(x^2+bx+c=0\) нужно найти два числа, которые одновременно:

 

• в сумме дают \(-b\);


• в произведении дают \(c\).

 

Обычно удобнее начинать с произведения.

 

 

 

Как быстро определить знаки

  • Если \(c<0,\) произведение корней отрицательно, поэтому корни имеют разные знаки.

 

  • Если \(c>0,\) то при наличии действительных корней они имеют одинаковые знаки. Их знак определяется суммой:

 

• если \(-b>0\), оба корня положительные;


• если \(-b<0\), оба корня отрицательные.

 

  • Если \(c=0,\) один из корней равен нулю.

 

 

Пример 1. Корни разных знаков

Решим уравнение \(x^2-3x-4=0\)

 

По теореме Виета \(\begin{cases} x_1+x_2=3,\\ x_1x_2=-4.\end{cases}\)

 

Ищем пары чисел, произведение которых равно \(-4\):


\(1\cdot(-4),\) \((-1)\cdot4,\) \(2\cdot(-2).\)

 

Нужна пара с суммой \(3\): \(-1+4=3.\)

 

Следовательно, \(x_1=-1,\) \(x_2=4.\)

 

Ответ: \(-1\), \(4\).

 

 

Пример 2. Два положительных корня

Решим уравнение \(x^2-12x+35=0\)

 

Нужно найти два числа, сумма которых равна \(12\), а произведение равно \(35\).

 

Разложим \(35\) на пары множителей: \(1\cdot35,\) \(5\cdot7\)

 

Подходит пара \(5+7=12,\) \(5\cdot7=35\)

 

Поэтому \(x_1=5,\) \(x_2=7.\)

 

Ответ: \(5\), \(7\).

 

 

Пример 3. Сумма корней отрицательна

Решим уравнение \(x^2+7x-18=0\)

 

Так как произведение корней равно \(-18\), корни имеют разные знаки. Их сумма равна \(-7\), поэтому отрицательный корень должен быть больше по модулю.

 

Подходит пара \(2+(-9)=-7,\) \(2\cdot(-9)=-18\)

 

Следовательно, \(x_1=2,\) \(x_2=-9\)

 

Ответ: \(2\), \(-9\).

 

 

Пример 4. Большие коэффициенты не всегда означают сложное решение

Решим уравнение \(x^2-101x+100=0\)

 

Нужно найти два числа, сумма которых равна \(101\), а произведение --- \(100\).

 

Подходит простая пара: \(1+100=101,\) \(1\cdot100=100\)

 

Следовательно, \(x_1=1,\) \(x_2=100\)

 

Ответ: \(1\), \(100\).

 

Этот пример показывает, что перед вычислением дискриминанта полезно несколько секунд посмотреть на коэффициенты.

 

 

 

Когда подбор особенно удобен

Теорема Виета особенно полезна, если:

 

• уравнение приведённое;


• свободный член имеет немного целых делителей;


• корни ожидаются целыми или простыми рациональными числами;


• коэффициенты большие, но подходящая пара очевидна;


• коэффициенты содержат параметр и уже видна подходящая сумма и произведение;


• после замены переменной возникает простое квадратное уравнение.

 

 

 

Неприведённое квадратное уравнение

Для уравнения \(ax^2+bx+c=0\) можно применять общую формулу Виета:


\(x_1+x_2=-\dfrac{b}{a},\) \(x_1x_2=\dfrac{c}{a}.\)

 

 

Пример 5. Прямое применение общей теоремы Виета

Решим уравнение \(3x^2-10x+3=0\)

 

По теореме Виета \(x_1+x_2=\dfrac{10}{3},\) \(x_1x_2=1\)

 

Подходит пара \(3\) \(\text{и}\) \(\dfrac13\)

 

Действительно, \(3+\dfrac13=\dfrac{10}{3},\) \(3\cdot\dfrac13=1\)

 

Ответ: \(3\), \(\dfrac13\).

 

 

 

Метод «переброски»

Для неприведённого квадратного уравнения \(ax^2+bx+c=0\) иногда удобнее не подбирать дробные корни напрямую, а воспользоваться методом «переброски».

 

Откуда берётся метод

 

Умножим исходное уравнение на \(a\):

 

\(a^2x^2+abx+ac=0\)

 

Запишем первые два слагаемых через выражение \(ax\):


\((ax)^2+b(ax)+ac=0\)

 

Введём новую переменную \(m=ax\)

 

Тогда получаем приведённое уравнение


\(m^2+bm+ac=0\)

По теореме Виета


\(\begin{cases}
m_1+m_2=-b,\\
m_1m_2=ac.
\end{cases}\)

 

После нахождения \(m_1\) и \(m_2\) возвращаемся к \(x\):


\(\boxed{x_1=\dfrac{m_1}{a}},\) \(\boxed{x_2=\dfrac{m_2}{a}}\)

 

 

Таким образом, алгоритм такой:

 

1. Для \(ax^2+bx+c=0\) составить вспомогательное уравнение \(m^2+bm+ac=0.\)


2. Решить его по теореме Виета.


3. Каждый найденный корень разделить на \(a\).

 

 

Пример 6. Метод «переброски»

 

Решим уравнение \(5x^2-6x+1=0\)

 

Составляем вспомогательное уравнение: \(m^2-6m+5=0\)

 

По теореме Виета \(m_1=1,\) \(m_2=5\)

 

Возвращаемся к \(x\): 

\(x_1=\dfrac{1}{5},\) \(x_2=\dfrac{5}{5}=1\)

 

Ответ: \(\dfrac15\), \(1\).

 

 

 

Что можно понять о корнях без вычислений

Для общего квадратного уравнения \(ax^2+bx+c=0\) с действительными корнями \(x_1+x_2=-\dfrac{b}{a},\) \(x_1x_2=\dfrac{c}{a}.\)

 

Поэтому знак произведения корней определяется знаком \(\dfrac{c}{a}\).

 

Корни разных знаков

 

Если \(\dfrac{c}{a}<0,\) то корни имеют разные знаки.

 

Более того:

• если \(x_1+x_2>0\), положительный корень больше по модулю;
• если \(x_1+x_2<0\), отрицательный корень больше по модулю;
• если \(x_1+x_2=0\), корни противоположны и равны по модулю.

 

Для приведённого уравнения достаточно посмотреть на знак \(c\).

 

Корни одного знака

 

Если \(\dfrac{c}{a}>0\) и корни действительные, то они имеют одинаковый знак.

 

Тогда:

• при \(x_1+x_2>0\) оба корня положительные;
• при \(x_1+x_2<0\) оба корня отрицательные.

 

Важно: положительное произведение само по себе не гарантирует существование действительных корней. Например, перед рассуждением о знаках необходимо знать, что \(D\geqslant0\).

 

Если один корень равен нулю

 

Если \(c=0,\) то \(x_1x_2=0,\) поэтому хотя бы один корень равен нулю. Действительно, \(ax^2+bx=x(ax+b)=0\)

 

Отсюда \(x_1=0,\) \(x_2=-\dfrac{b}{a}\)

 

Быстрый поиск корней \(1\) и \(-1\)

Иногда один из корней квадратного уравнения можно заметить сразу по коэффициентам.

 

Если для уравнения \(ax^2+bx+c=0\) выполняется \(a+b+c=0,\) то \(x=1\) является корнем.

 

Действительно, \(a\cdot1^2+b\cdot1+c=a+b+c=0\)

 

Второй корень можно сразу найти по произведению: \(x_1x_2=\dfrac{c}{a}\)

 

Если \(x_1=1\), то

 

\(\boxed{x_2=\dfrac{c}{a}}\)

 

 

Пример 7. Корень \(x=1\)

Решим уравнение \(15x^2-13x-2=0\)

 

Сумма коэффициентов: \(15-13-2=0\)

 

Значит, \(x_1=1\)

 

По теореме Виета \(x_1x_2=-\dfrac{2}{15}\)

 

Следовательно, \(x_2=-\dfrac{2}{15}\)

 

Ответ: \(1\), \(-\dfrac{2}{15}\).

 

 

Если \(a-b+c=0,\) то \(x=-1\) является корнем.

 

Действительно, \(a(-1)^2+b(-1)+c=a-b+c=0\)

 

Если \(x_1=-1\), то из \(x_1x_2=\dfrac{c}{a}\) получаем
 

\(\boxed{x_2=-\dfrac{c}{a}}\)

 

 

Пример 8. Корень \(x=-1\)

Решим уравнение \(6x^2+5x-1=0\)

 

Проверяем: \(6-5-1=0\)

 

Следовательно, \(x_1=-1\)

 

Тогда \(x_2=-\dfrac{-1}{6}=\dfrac16\)

 

Ответ: \(-1\), \(\dfrac16\).

 

 

Теорема Виета после преобразования или замены

Иногда исходное уравнение не выглядит как обычное квадратное, но после простой замены или преобразования сводится к нему.

 

Пример 9. Замена линейного выражения

Решим уравнение \((x-1)^2-7(x-1)+10=0\)

 

Не будем раскрывать скобки. Введём \(t=x-1\)

 

Получаем \(t^2-7t+10=0\)

 

По теореме Виета \(t_1=2,\) \(t_2=5\)

 

Возвращаемся к \(x\): \(x-1=2\) или \(x-1=5\)

 

Следовательно, \(x=3\) или \(x=6\)

 

Ответ: \(3\), \(6\).

 

 

Пример 10. Биквадратное уравнение

Решим \(x^4-13x^2+36=0\)

 

Введём \(t=x^2\)

 

Получаем \(t^2-13t+36=0\)

 

По теореме Виета \(t_1=4,\) \(t_2=9\)

 

Возвращаемся к \(x\): \(x^2=4\) или \(x^2=9\)

 

Поэтому \(x=\pm2\) или \(x=\pm3.\)

 

Ответ: \(-3\), \(-2\), \(2\), \(3\).

 

 

Пример 11. Дробное уравнение

Решим \(x+\dfrac{20}{x}=9\)

 

Сначала учитываем область допустимых значений: \(x\neq0\)

 

Умножаем уравнение на \(x\): \(x^2+20=9x,\) то есть \(x^2-9x+20=0\)

 

По теореме Виета \(x_1=4,\) \(x_2=5\)

 

Оба значения удовлетворяют условию \(x\neq0\).

 

Ответ: \(4\), \(5\).

 

 

Теорема Виета в уравнениях с параметром

Если коэффициенты квадратного уравнения содержат параметр, не всегда нужно раскрывать скобки и вычислять дискриминант. Иногда корни буквально "видны" из суммы и произведения.

 

 

Пример 12. Простая параметрическая конструкция

Решим относительно \(x\): \(x^2-(2a+7)x+(a+3)(a+4)=0\)

 

Для приведённого уравнения сумма корней должна быть равна \(2a+7,\) а произведение --- \((a+3)(a+4)\)

 

Замечаем: \((a+3)+(a+4)=2a+7\)

 

Следовательно, \(x_1=a+3,\) \(x_2=a+4\)

 

Эти выражения подходят при любом действительном \(a\).

 

Ответ: \(a+3\), \(a+4\).

 

 

Пример 13. Неприведённое уравнение с параметром

Рассмотрим\(2x^2-(3a+4)x+(a+1)(a+2)=0\)

 

По общей теореме Виета \(x_1+x_2=\dfrac{3a+4}{2},\) \(x_1x_2=\dfrac{(a+1)(a+2)}{2}\)

 

Подходит пара \(x_1=a+1,\) \(x_2=\dfrac{a+2}{2}\)

 

Проверим сумму: \(a+1+\dfrac{a+2}{2}=\dfrac{3a+4}{2}\)

 

Произведение также совпадает: \((a+1)\cdot\dfrac{a+2}{2}=\dfrac{(a+1)(a+2)}{2}\)

 

Ответ: \(x_1=a+1,\) \(x_2=\dfrac{a+2}{2}.\)

 

При \(a=0\) эти два корня совпадают и равны \(1\).

 

 

Связь теоремы Виета с разложением на множители

Если корни квадратного уравнения \(x_1\) и \(x_2\) найдены, квадратный трёхчлен можно разложить:


\(ax^2+bx+c=a(x-x_1)(x-x_2)\)

 

Например, для \(x^2-3x-4=0\) мы нашли корни \(-1\) и \(4\). Поэтому \(x^2-3x-4=(x+1)(x-4)\)

 

И наоборот, если трёхчлен уже удалось разложить на множители, его корни видны сразу.

 

Теорема Виета и разложение квадратного трёхчлена на множители --- это два тесно связанных взгляда на одну и ту же структуру.

 

 

 

Когда лучше использовать дискриминант

Теорема Виета не обязана давать простую пару корней.

Если после короткого поиска подходящие числа или выражения не видны, не нужно долго перебирать варианты. В таком случае лучше перейти к дискриминанту или другой подходящей формуле.

 

Например, для уравнения \(x^2-2x-1=0\) сумма корней равна \(2\), а произведение равно \(-1\), но простая рациональная пара не находится. Здесь удобнее вычислить дискриминант:


\(D=(-2)^2-4\cdot1\cdot(-1)=8\)


и получить \(x=1\pm\sqrt2.\)

 

Главный навык --- не решать каждое квадратное уравнение одним и тем же способом, а быстро выбирать наиболее короткий.

 

 

 

Типичные ошибки

• Путают знак суммы корней:


\(x_1+x_2=-\dfrac{b}{a},\) а не \(\dfrac{b}{a}\).

 

• Для неприведённого уравнения используют формулы \(x_1+x_2=-b\), \(x_1x_2=c\), забывая разделить на \(a\).

 

• Подбирают числа только по произведению и не проверяют сумму.

 

• При \(c>0\) сразу говорят, что корни одного знака, не проверив существование действительных корней.

 

• Делают вывод о знаках корней по \(c\), хотя для общего уравнения нужно смотреть на \(\dfrac{c}{a}\).

 

• В методе «переброски» находят \(m_1\) и \(m_2\), но забывают затем разделить их на \(a\).

 

• После замены переменной находят значения новой переменной, но не возвращаются к исходной.

 

• В дробном уравнении забывают область допустимых значений.

 

• Если замечен корень \(1\) или \(-1\), всё равно считают дискриминант, хотя второй корень можно быстро найти по произведению.

 

• В параметрическом уравнении раскрывают все скобки и усложняют выражения, хотя сумма и произведение корней уже видны.

 

 

 

Короткая памятка

Для общего квадратного уравнения \(ax^2+bx+c=0:\)


\(\boxed{x_1+x_2=-\dfrac{b}{a}},\) \(\boxed{x_1x_2=\dfrac{c}{a}}\)

 

Для приведённого уравнения \(x^2+bx+c=0:\)


\(\boxed{x_1+x_2=-b},\) \(\boxed{x_1x_2=c}\)

 

При подборе корней:


1. сначала смотрим на произведение;
2. определяем возможные знаки;
3. перебираем подходящие пары множителей;
4. проверяем сумму.

 

  • Если \(\dfrac{c}{a}<0,\) корни разных знаков.
  • Если \(\dfrac{c}{a}>0\) и корни действительные, они одного знака.

 

 

Метод «переброски»:


\(ax^2+bx+c=0\Longrightarrow m^2+bm+ac=0,\) \(m=ax\)

 

Если \(a+b+c=0,\) то \(x_1=1,\) \(x_2=\dfrac{c}{a}\)

 

Если \(a-b+c=0,\) то \(x_1=-1,\) \(x_2=-\dfrac{c}{a}\)

 

Если выражение повторяется, можно сделать замену и применить Виета уже к новой переменной.

 

 

 

Задачи для самостоятельной работы

Уровень 1. Базовый подбор корней

1. Решите: \(x^2-9x+20=0\)

 

2. Решите: \(x^2+13x+40=0\)

 

3. Решите: \(x^2-6x+9=0\)

 

4. Решите: \(x^2+2x-15=0\)

 

5. Решите: \(x^2-101x+100=0\)

 

6. Решите: \(2x^2-7x+3=0\)

 

7. Не находя корни, определите их знаки и укажите, какой корень больше по модулю: \(x^2-5x-6=0\)

 

8. Не находя корни, определите их знаки: \(x^2+7x+10=0\)

 

Уровень 2. Виет внутри другой конструкции

9. Решите: \(x^4-13x^2+36=0\)

 

10. Решите, не раскрывая скобки: \((x-2)^2-9(x-2)+20=0\)

 

11. Решите: \(x+\dfrac{20}{x}=9\)

 

12. Решите методом «переброски»: \(4x^2+4x-3=0\)

 

13. Решите, заметив корень \(1\): \(7x^2-8x+1=0\)

 

14. Решите, заметив корень \(-1\): \(6x^2+5x-1=0\)

 

 

Уровень 3. Уравнения с параметром

15. Решите относительно \(x\): \(x^2+(2a+3)x+(a+1)(a+2)=0\)

 

16. Решите относительно \(x\): \(x^2-(3a-1)x+2a(a-1)=0\)

 

17. Решите относительно \(x\): \(2x^2-(3a+4)x+(a+1)(a+2)=0\)

 

18. Решите относительно \(x\): \(x^2-(a^2+a+1)x+a(a^2+1)=0\)

 

 

Ответы

1. \(4\), \(5\).

2. \(-5\), \(-8\).

3. \(3\) --- двукратный корень.

4. \(3\), \(-5\).

5. \(1\), \(100\).

6. \(3\), \(\dfrac12\).

7. Корни разных знаков; положительный корень больше по модулю.

8. Оба корня отрицательные.

9. \(-3\), \(-2\), \(2\), \(3\).

10. \(6\), \(7\).

11. \(4\), \(5\).

12. \(\dfrac12\), \(-\dfrac32\).

13. \(1\), \(\dfrac17\).

14. \(-1\), \(\dfrac16\).

15. \(-a-1\), \(-a-2\).

16. \(a-1\), \(2a\). При \(a=-1\) корни совпадают.

17. \(a+1\), \(\dfrac{a+2}{2}\). При \(a=0\) корни совпадают.

18. \(a\), \(a^2+1\).