1 Nghiên cứu định lý Viète và ứng dụng | ▫▪ mathvn.com
ỨNG DỤNG ĐỊNH LÝ VIÈTE
ĐẠI SỐ SƠ CẤP
A. LỊCH SỬ.
François Viète, Seigneur de la Bigotière ( tiếng Latinh : Franciscus Vieta ; 1940 - 23 tháng 2 năm 1603) là một nhà toán học người Pháp có công trình về đại số mới là một bước tiến quan trọng đối với đại số hiện đại, do việc sử dụng sáng tạo các chữ cái làm tham số trong phương trình và đồng thời ứng dụng chúng trong việc biến đổi và giải phương trình. Ông là một luật sư về thương mại, và từng là ủy viên hội đồng bí mật cho cả Henry III và Henry IV của Pháp.
Ông đã phát hiện ra mối liên hệ giữa các nghiệm và các hệ số của phương trình. Ông còn là một chuyên gia về giải các mật mã trong thế chiến giữa Pháp và Tây Ban Nha.
Ông mất năm 1603.
Thành tựu nổi bật: Đại số mới.
Nền
Vào cuối thế kỷ 16, toán học được đặt dưới sự bảo trợ kép của người Hy Lạp, họ đã mượn các công cụ của hình học và người Ả Rập, những người cung cấp các thủ tục cho phép giải. Vào thời của Viète, đại số do đó dao động giữa số học, điều này làm xuất hiện một danh sách các quy tắc và hình học có vẻ chặt chẽ hơn.
Đại số biểu tượng của Viète
Viète đã tạo ra nhiều đổi mới: công thức nhị thức , sẽ được Pascal và Newton lấy, và các hệ số của đa thức thành tổng và tích các gốc của nó , được gọi là công thức Viète . Đại số hình học
Viète rất thành thạo trong hầu hết các công cụ hiện đại, nhằm mục đích đơn giản hóa các phương trình bằng cách thay thế các đại lượng mới có mối liên hệ nhất định với các đại lượng chưa biết ban đầu. Một tác phẩm khác của ông, Recensio canonica effectionum learningarum , mang dấu ấn hiện đại, sau này được gọi là hình học đại số — một bộ sưu tập các giới thiệu cách xây dựng các biểu thức đại số chỉ với việc sử dụng thước và compass.
2 Nghiên cứu định lý Viète và ứng dụng | ▫▪ mathvn.com
B. ĐỊNH LÝ VIÈTE.
Trong toán học, định lý Viète hay công thức Viète (có khi viết theo phiên âm tiếng Việt là Vi-ét), do nhà toán học Pháp François Viète tìm ra, nêu lên mối quan hệ giữa các nghiệm của một phương trình đa thức (trong trường số phức) và các hệ số của nó.
I. Định lý Viète cho phương trình bậc hai.
1. Bài toán mở đầu.
Xét phương trình bậc hai: y ax 2bx c a
0 1
.Giả sử: b2 4ac0.
Ta có:
1
2
2 2 x b
a x b
a
là hai nghiệm tổng quát của phương trình ax2 bx c 0.
Khi đó:
1 2
2 2
2
1 2 2 2
2 2
. 4
2 2 4 4
b b b
S x x
a a a
b b ac
b b b c
P x x
a a a a a
.
2. Định lý Viète.
Extra Techniques Định lý Viète
Nếu x x1, 2 là hai nghiệm (trên trường số phức , có thể nghiệm đơn hoặc nghiệm kép)
của phương trình: ax2 bx c 0, thì:
1 2
1 2
x x S b a x x P c
a
.
Chứng minh:
3 Nghiên cứu định lý Viète và ứng dụng | ▫▪ mathvn.com Giả sử: x x1, 2 là hai nghiệm của phương trình ax2 bx c 0.
Khi đó, phương trình bậc hai
1 tương đương với phương trình y a x x
1
x x 2
. Như vậy, ta có đẳng thức: ax2 bx c a x x x x
1
2
.Hay: ax2 bx c ax 2 a x
1x x ax x2
1 2.Đồng nhất hệ số hai vế, ta thu được:
1 2
1 21 2 1 2
x x b
b a x x a
c ax x x x c a
(đpcm).
Như vậy, một câu hỏi được đặt ra: Liệu rằng có hay không một Định lý Viète tổng quát trên trường số thực cho một đa thức có bậc n?
Câu trả lời là có và xin được trình bày tiếp ở phần dưới đây.
II. Định lý Viète cho phương trình đa thức bất kỳ.
1. Bài toán mở đầu.
Xét phương trình bậc n theo ẩn x tổng quát như sau:
1
1 ... 1 0, 0 2
n n
n n n
y a x a x a x a a
Giả sử: x ii, 1,n là n nghiệm của phương trình a xn na xn1 n1 ... a x a1 0 0.
Khi đó, phương trình bậc n tương đương với phương trình:
1
2
...
n n
y a x x x x x x
Như vậy, ta có: a xn n a xn1 n1 ... a x a1 0 a x x x xn
1
2
... x x n
1
1 1 0
1 2
...
...
n n n
n n n
n n
n elements
a x a x a x a a x
a x x x
4 Nghiên cứu định lý Viète và ứng dụng | ▫▪ mathvn.com
1 2 1 3 1 1
1 2
1
1 2 1 1 2 2 2 3
... ...
...
1 ... ... ... ...
n k k n n
n n elements
n
n n n n n
n element
a x x x x x x x x
a x x x x x x x x x x
1 1 2...s n
n n
a x x x
Đồng nhất hệ số ở hai vế, ta thu được Định lý Viète mở rộng như sau:
Extra Techniques Định lý Viète mở rộng
Nếu x ii, 1, ,n n
là hai nghiệm (trên trường số phức , có thể nghiệm đơn hoặc nghiệm kép) của phương trình: a xn n a xn1 n1 ... a x a1 0 0, thì:1 2 1
1 2 1
1 2 1 1
1 2 1 3 2 3 1 2
1
1 2 1 1 2 2
1 ...
...
....
...
... ... ... ...
n n
n n
i n
i n
n n
i j n n
i j n n
n
i i i n n n
i i i n
x x x x a
a
x x x x x x x x x x a a
x x x x x x x x x x
1 1
2 3
1 2 0 1
... 1 .
... 1 .
n n
n
n n
i n
i n
x x x a
a x x x x a
a
.
Lưu ý: Trong mỗi hàng k bất kỳ, vế trái của đẳng thức là tổng của các tích từng cụm k các nghiệm của phương trình trên. Và vế phải của đẳng thức được tính một cách tổng quát theo công thức:
1 k n kn
a a
.
5 Nghiên cứu định lý Viète và ứng dụng | ▫▪ mathvn.com Một số tổng quát thường gặp:
Phương trình bậc ba:
Nếu x x x1, ,2 3 là nghiệm của phương trình: ax3bx2 cx d 0 thì công thức Viète
cho ta:
1 2 3
1 2 2 3 3 1
1 2 3
x x x b
a x x x x x x c
a x x x d
a
.
Hệ quả 1 của định lý Viète:
Giả sử phương trình: a xn n a xn1 n1 ... a x a1 0 0 3
có các hệ số a ii, 0,n thỏa mãn:
1
2 2
2 2 1
0 1
0
n n
k k
k k
i a a
khi và chỉ khi: x1 là một nghiệm của phương trình
3 .
1
2 2
2 2 1
0 1
0
n n
k k
k k
ii a a
khi và chỉ khi: x 1 là một nghiệm của phương trình
3 .Chứng minh
i :Giả sử:
1
2 2
2 2 1 0 1 1
0 1
0 ...
n n
k k n n
k k
a a a a a a
.Khi đó:
3
a xn n an
a xn1 n1an1
...
a x a1 1
0;
1
1 1
1 2 2 3
1 2 1
1 1 ... 1 0
1 ... 1 ... 1 ... 1 0
n n
n n
n n n n
n n
a x a x a x
x a x x a x x a x a
6 Nghiên cứu định lý Viète và ứng dụng | ▫▪ mathvn.com 1
x
là một nghiệm.
i :Giả sử: x1 là một nghiệm của phương trình
3 , khi đó, ta có:
1
2 2
1
1 1 0 1 1 0 2 2 1
0 1
1 1 ... 1 0 ... 0
n n
n n
n n n n k k
k k
a a a a a a a a a a
.Vậy:
i hoàn toàn được chứng minh.
ii :Bài toán phụ:
Ta có:
2 1 2 2 1
2 1 2 2
2
1 1 ... 1 ... 1 1 . 4
*
1 1 1 1 ... 1 . 5
t t t k k
t
k k k k
t
x x x x x x
x x x x x
Một điều đáng nói, ở đây k hoặc chẵn hoặc lẻ, nhưng điều đó không quan trọng vì nếu 2
k thì ta xét
xk 1
như ở đẳng thức
5 , nếu k21 thì hoàn toàn rút được lượng nhân tử
x1
theo đẳng thức
4 . Như vậy dù k là bội nào đó của 2, thì đến một số đủ lớn các bước (sau bước), ta sẽ thu được nhân tử
x1
.Giả sử:
1 1
2 2 2 2
2 2 1 0 2 2 1
0 1 1 1
0
n n n n
k k k k
k k k k
a a a a a
.Khi đó:
3 a xn n
1 n1an a xn1 n1
1 nan1 ...
a x2 2a2
a x a1 1
0.
x 1
an n an1n1 ... a x2
1
a1 0 x 1 là một nghiệm của
3 .
ii : Giả sử: x 1 là một nghiệm của phương trình
3 , khi đó, ta có:7 Nghiên cứu định lý Viète và ứng dụng | ▫▪ mathvn.com
1
1 1
0
1 1
1 01
2 2
2 2 1
0 1
1 1 ... 1 0 1 1 ... 1 ... 0
0
n n n n k
n n n n k
n n
k k
k k
a a a a a a a a a
a a
.
Vậy:
ii hoàn toàn được chứng minh.Extra Techniques Study tips Xét phương trình: ax2 bx c 0
a0 6
.Nếu phương trình
6 có tổng a b c 0 thì: 12
1 x x c
a
là hai nghiệm của
6 .Nếu phương trình
6 có tổng a b c 0 thì: 12
1 x x c
a
là hai nghiệm của
6 . Hệ quả 2 của định lý Viète:
Giả sử phương trình: a xn n a xn1 n1 ... a x a1 0 0 3
có n nghiệm, kí hiệu x ii, 1,n.Nếu ta đặt:
1 2 1
1 2 1
1 1
2 1
1 1 ...
1
...
... n n
n i i
n i j n i j
n
n i i i
i i i n
n
n i
i
S x
S x x
S x x x
S x
8 Nghiên cứu định lý Viète và ứng dụng | ▫▪ mathvn.com Khi đó: x ii, 1,n là nghiệm của phương trình:
1
1 2
1 2 ... 1 k . ... 1 n 1 1 n 0 7
n n n n k
k n n
x S x S x S x S x S . Chứng minh:
Theo định lý Viète mở rộng, ta suy ra:
Nếu x ii, 1,n là nghiệm của
3 , thì:1 2 1
1 2 1
1 2 1 1
1 2 1 3 2 3 1 2
1
1 2 1 1 2 2
1 ...
...
....
...
... ... ... ...
n n
n n
i n
i n
n n
i j n n
i j n n
n
i i i n n n
i i i n
x x x x a
a
x x x x x x x x x x a a
x x x x x x x x x x
1 1
2 3
1 2 0 1
... 1 .
... 1 .
n n
n
n n
i n
i n
x x x a
a x x x x a
a
Như vậy, dễ dàng ta có:
1 1
2 2
1 1
1
0
...
1 .
1 .
n n n
n
n n
n n n
n
S a
a S a
a S a
a S a
a
.
Vậy phương trình
7 tương đương với: n n 1 n 1 n 2 n 2 ... 1 0 0n n n n
a a a a
x x x x
a a a a
.
9 Nghiên cứu định lý Viète và ứng dụng | ▫▪ mathvn.com Vì: deg
f x x
1, ,...,2 xn
n an 0.Nhân cả hai vế cho an, ta thu được phương trình
3 (đpcm).Extra Techniques Study tips
Xét phương trình: ax2 bx c 0
a0 6
với 0, nếu ta đặt: 1 21 2
S x x P x x
. Thì: x x1, 2 là hai nghiệm của phương trình x2 Sx P 0,
S2 4P
.C. MỘT SỐ TIPS GIẢI NHANH CÁC BÀI TOÁN ỨNG DỤNG ĐỊNH LÝ VIÈTE.
I. Dấu nghiệm của phương trình bậc hai.
Dấu nghiệm
x1 x2 S x x 1 2 P x x 1 2 Điều kiện cần Điều kiện đủ
Trái dấu ?
0
0 P
Cùng dấu P0
Cùng dương P0,S0
Cùng âm P0,S0
II. Một số đẳng thức cần lưu ý.
2 2 2 2
1 2 1 2 1 2
3 3 2 2
1 2 1 2 1 2 1 2
2 2
2 2
4 4 2 2
1 2 1 2 1 2 1 2
1 2
1 2 1 2
2 2
2 1 1 2 1 2 2 1
2 2
3 . 3
2 2 2 2
1 1
4 4
i x x x x x x S P
ii x x x x x x x x S S P
iii x x x x x x x x S P P
x x P
iv x x x x S
v x x x x x x S P x x
10 Nghiên cứu định lý Viète và ứng dụng | ▫▪ mathvn.com III. Ứng dụng đa thức đối xứng để giải quyết các bài tập áp dụng định lý Viète.
1. Định nghĩa. Giả sử A là một vành giao hoán có đơn vị, f x x
1, ,...,2 xn
là một đa thức của vành A x x 1, ,...,2 xn. Đa thức f x x
1, ,...,2 xn
được gọi là một đa thức đối xứng củan ẩn nếu f x x
1, ,...,2 xn
f x
1,x 2 ,...,x n
với mọi phép thế
1 2 ....
1 2 ....
n
n
1 , 2 ,..., n
f x x x suy ra từ f x x
1, ,...,2 xn
bằng cách thay trong f x x
1, ,...,2 xn
, x1 bởi x 1 ,....,xn bởi x n .2. Định lý 1. Bộ phận gồm các đa thức đối xứng của vành A x x 1, ,...,2 xn là một vành con của vành A x x 1, ,...,2 xn.
Chứng minh:
Giả sử f x x
1, ,...,2 xn
và g x x
1, ,...,2 xn
là những đa thức đối xứng của vành1, ,...,2 n
A x x x , theo định nghĩa ta có:
1, ,...,2 n
1 , 2 ,..., n
f x x x f x x x Và
1, ,...,2 n
1, 2 ,..., n
g x x x g x x x
với mọi phép thế
11 22 ........
nn . Thế thì:
1, ,...,2 n
1, ,...,2 n
1 , 2 ,..., n
1, 2 ,..., n
f x x x g x x x f x x x g x x x ,
1, ,...,2 n
. 1, ,...,2 n
1 , 2 ,..., n
.
1, 2 ,..., n
f x x x g x x x f x x x g x x x
11 Nghiên cứu định lý Viète và ứng dụng | ▫▪ mathvn.com
với mọi phép thế . Từ đó, suy ra bộ phận gồm các đa thức đối xứng của vành
1, ,...,2 n
A x x x là một vành con của vành A x x 1, ,...,2 xn.
Chú ý: Có thể coi mỗi phần tử của vành A là một đa thức đối xứng đặc biệt. Thật vậy, a A thì ta có thể viết: a x x 10 20...xn0.
Các đa thức đối xứng cơ bản:
1 2 1
1 2
1 1 2
1
2 1 2 1 3 2 3 1
1
1 1 2 1 1 2 2 2 3
1 ...
...
....
...
... ... ... ... ...
n n n
n i
i
n
n n i j
i j n
n n n n n i i i
i i i
x x x x
x x x x x x x x x x
x x x x x x x x x x x x x
1
1 2 1
...
n n n
n n i
i
x x x x
Theo Định lý 1 thì mọi đa thức của các đa thức đối xứng cơ bản 1, 2,...,n cũng là một đa thức đối xứng của n ẩn x x1, ,...,2 xn. Chiều ngược lại cũng đúng, đó chính là nội dung của định lý cơ bản về đa thức đối xứng dựa trên các Bổ đề sau.
3. Bổ đề 1. Giả sử f x x
1, ,...,2 xn
là một đa thức đối xứng khác 0 và x x x1a1 2a2 3a3...xnan là hạng tử cao nhất của nó, thế thì: a a1 2 ... an.Chứng minh:
Ta phải chứng minh: ai1ai, i 2,n. Vì f x
1,...,xn
là một đa thức đối xứng nên nếu thay xi1 bởi xi và hoán vị ngược lại thay xi bởi xi1, ta được:1
1a1... iai i 1ai... nan
x x x x
cũng là một hạng tử của f x
1,...,xn
. Giả sử: a ai i1, khi đó:12 Nghiên cứu định lý Viète và ứng dụng | ▫▪ mathvn.com
a1,...,ai2, ,a ai i1,...,an
a1,...,ai2,a ai1, ,...,i an
.Điều này mâu thuẫn với giả thuyết x1a1...xi1ai1xiai...xnan là hạng tử cao nhất.
4. Bổ đề 2. Giả sử a1,...,an là những số tự nhiên sao cho:
1 2 ... n
a a a
thế thì đa thức f x x
1, ,...,2 xn
1a a1 22a a2 3...n1an1an2nantrong đó 1,...,n là các đa thức đối xứng cơ bản, có hạng tử cao nhất là
1 2
1a 2a ... nan x x x . Chứng minh:
Các hạng tử cao nhất của 1, ,...,2 n1,n theo thứ tự là:
1, 1 2,..., 1 2... n 1, 1 2... n x x x x x x x x x Ta có hạng tử cao nhất của f x
1,...,xn
là:
2 3
1
1 2 1 2
1a a 1 2 a a ... 1 2... n 1 an an 1 2... n an 1a 2a ... nan
x x x x x x x x x x x x (đpcm).
Sở dĩ ta kết luận được hạng tử như thế là do ta chứng minh được một Định lý sau:
Định lý *. Giả sử f x x
1, ,...,2 xn
và g x x
1, ,...,2 xn
là hai đa thức khác không của vành1, ,...,2 n
A x x x có hạng tử cao nhất theo thứ tự là c x1 1a11...xna1n và d x1 1b11...xnb1n. Nếu c d1 1 0 thì hạng tử cao nhất của đa thức tích f x x
1, ,...,2 x g x xn
. 1, ,...,2 xn
là c d x1 1 1a11 11b ...xna1nb1n.Chứng minh:
Giả sử:
1 1
11 ln
1 1 n
11
1 2 1 1 1
1 2 1 1 1
, ,..., ... ... ...
, ,..., ... ... ...
n l
n m m
a a
a a
n n l n
b b b
b
n n m n
f x x x c x x c x x
g x x x d x x d x x
đã được sắp xếp theo lối từ điển.
Điều đó có nghĩa là:
13 Nghiên cứu định lý Viète và ứng dụng | ▫▪ mathvn.com
a11,...,a1n
ai1,...,ain
, i 2,l Và
b11,...,b1n
bi1,...,bin
, i 2,m. Ta sẽ chứng minh:1 1
11 11
1 1 1a b ... nan bn c d x x là hạng tử cao nhất của đa thức tích f x
1,...,x g xn
. 1,...,xn
. Nhân f x
1,...,xn
với g x
1,...,xn
, ta được:
1,..., n
. 1,..., n
i j, i j 1ai1 bj1... nain bjn,
1, ; 1,
f x x g x x
c d x x i l j m .Mỗi hạng tử c d xi j 1ai1bj1...xnainbjn cho ta phần tử
ai1bj1,...,ainbjn
n.Nhưng vì, ta lại có:
+) Nếu
a1,...,an
b1,...,bn
thì
a c1 1,...,ancn
b c1 1,...,bn cn
,
c1,...,cn
n.Thật vậy! Vì:
a1,...,an
b1,...,bn
nên có một chỉ số i1,n sao cho:1 1,..., i 1 i 1, i i a b a b a b .
Do đó: a c1 1 b c1 1,...,ai1ci1bi1c a c b ci1, i i i i (đpcm).
+) Nếu
a1,...,an
b1,...,bn
và
c1,...,cn
d1,...,dn
, thì:
a c1 1,...,an cn
b d1 1,...,bndn
. Thật vậy!Ta có:
a c1 1,...,ancn
b c1 1,...,bncn
b d1 1,...,bn dn
(đpcm).Do vậy, ta có các bất đẳng thức sau:
14 Nghiên cứu định lý Viète và ứng dụng | ▫▪ mathvn.com
11 11 1 1 11 1 1
11 11 1 1 1 11 1
11 11 1 1 1 1
,..., ,..., , 2,
,..., ,..., , 2,
,..., ,..., , 2, , 2,
n n j n jn
n n i in n
n n i j in jn
a b a b a b a b j m
a b a b a b a b i l
a b a b a b a b i l j m
Vậy hạng tử c d x1 1 1a11 11b ...xna1nb1n chính là hạng tử cao nhất của đa thức tích.
5. Bổ đề 3.
Giả sử g
1,...,n
là một đa thức của các đa thức đối xứng cơ bản
1,..., n
1 1a11... na1n ... m 1am1... namn g c c trong đó ci 0, i1,m, và
ai1,...,ain
aj1,...,ajn
,i j .Thế thì: g
1,...,n
0.Chứng minh:
Trong g
1,...,n
, thay 1 bằng x1x2 ... xn,...,n bằng x1x2 ... xn ta được một đa thức của các ẩn x x1, ,...,2 xn.
1 2 1 2
1
1
1
... n,..., ... n ,..., n m i ,..., n
i
g x x x x x x f x x f x x
với
1
1 1,..., n 1 1 2 ... n ai ... 1 2... 3 ain, 1, f x x c x x x x x x i m. Hạng tử cao nhất của đa thức f x1
1,...,xn
theo Định lý
* là:
12
1 1 21 1a11 1 2 a ... 1 2... n an i 1ki 2ki ... kkm c x x x x x x c x x x
15 Nghiên cứu định lý Viète và ứng dụng | ▫▪ mathvn.com với:
1 2 1
2 2
...
...
...
i i in i
i in i
in in
a a a k
a a k
a k
.
Hạng tử cao nhất của mỗi đa thức f xi
1,...,xn
, cho ta phần tử
k ki1, ,...,i2 kin
n. Ta có:
k ki1, ...,i2 kin
k kj1, j2,...,kjn
,i j .Vì nếu:
k ki1, ...,i2 kin
k kj1, j2,...,kjn
,i j , thì:1 1 2 1 2 1
2 2 3 2 3 2
...
i i i j j j
i i i j j j
in in jn jn
a k k k k a
a k k k k a
a k k a
với i j , mâu thuẫn với giả thuyết.
Vì n sắp thứ tự toàn phần nên bộ phận hữu hạn gồm các phần tử