複數 C : 實數與虛數合稱為複數。
• 虛數單位i : i =√−1是方程式x2+ 1 = 0的一個根,因此i2 =−1。b > 0,√−b =√bi ,i 稱為虛數單位。
• 複數: 當 a, b 為實數, i = √−1 , 則形如Z = a + bi 的數, 稱為複數。 其中 Re(Z) = a 稱為 Z 的實部,Im(Z) = b 稱為 Z 的虛部。
• 純虛數: 當 a, b 為實數, i = √−1 ,z = a + bi 若 Re(Z) = 0, b 6= 0 稱為純虛數。 若 Im(Z) = 0 為實數。
複數C
“實根 α ”α 也就是函數 f (x) 圖形與x 軸的相交點橫坐標。
Thinking!
1. 多項式方程式有沒有根?(涉及代數基本定理) 2. 有多少個根?(代數基本定理、 因式定理)
3. 如何求其根?(整係數有理根檢驗法、 實係數勘根定理、 因式定理) 二次方程式的根:
求 一元二次方程式 ax2+ bx + c = 0的常見方法
• 十字交叉乘法: ax2+ bx + c = (a1x + c1)(a2x + c2) = 0
• 配方法: ax2 + bx + c = a(x +2ab )2−b2−4ac4a = 0
• 公式解: x = −b ±
√b2 − 4ac 2a
• 根與係數關係: 兩根 α、β 則
α + β = −ba αβ = ca
• 根的判別式: ∆ = b2− 4ac
1. 若∆ = b2− 4ac > 0 則有兩相異實根。
2. 若∆ = b2− 4ac = 0 則為兩相等實根。
3. 若∆ = b2− 4ac < 0 則無實數解。(兩共軛複數根) 判別正負根: ∆ = b2− 4ac < 0 無法判別
1. 兩正根: ∆ ≥ 0, α + β = −ba > 0, αβ = c a > 0 2. 兩負根: ∆ ≥ 0, α + β = −ba < 0, αβ = c
a > 0 3. 一正根一負根: ∆ > 0, αβ = ca < 0
• 有理係數的一元二次方程式: f (x) = ax2+ bx + c = 0 ; a, b, c ∈ Q 有理根判別: 利用一次因式檢查法(牛頓定理),f (x) 有一次因式px + q 若有一根形如 d + e√f 則必有另一根 d− e√f
1. 有兩相異有理根 ⇔判別式 ∆ = b2− 4ac > 0 且 ∆為完全平方數。
2. 有兩相等有理根 ⇔判別式 ∆ = b2− 4ac = 0
3. 有兩相異無理根 ⇔判別式 ∆ = b2− 4ac > 0 且 ∆非完全平方數。
整係數多項式的一次因式檢驗法(牛頓定理):
(整係數多項式方程式有理根檢驗法)
整係數多項式的一次因式檢驗法:
設 f (x) = anxn+ an−1xn−1+· · · + a2x2+ a1x + a0 是整係數 n 次多項式。
若 px− q 是f (x) 的因式, 且p和q為互質的整數, 則 p|an 且q|a0 (即 p必為 an 的因數, q 必為a0 的因數)。
勘根定理:
設 f (x) = 0為一實係數方程式,若 f (a)f (b) < 0, 則 ∃c ∈ (a, b)使得 f (c) = 0 即在a, b 之間 ,至少有一實根 c使得 f (c) = 0
1. 若f (a)f (b) < 0 , 則在 a, b 之間一定有奇數個根。
2. 若f (a)f (b) > 0 , 則在 a, b 之間無根或有偶數個根。
代數基本定理:
每一複係數 n 次多項方程式 f (x) = anxn+ an−1xn−1+· · · + a1x + a0 = 0 恰有n個複數根。( f (x) 可分解成 n個複係數一次因式乘積)
韋達定理(方程式根與係數關係): 1. 一元二次方程式: ax2+ bx + c = 0 的根為 α, β 則
α + β = −ba α· β = ca
2. 一元三次方程式: ax3+ bx2+ cx + d = 0 的根為 α, β, δ 則
α + β + γ = −ba
α· β + α · γ + β · γ = ca α· β · γ = −da
共軛虛根成雙定理:
實係數方程式 f (x) = 0 , 若有複數根 z = a + bi , 則其共軛複數 z = a− bi 亦為其根。 即 f (z) = 0則f (z) = 0
二次有理係數方程式f (x) = 0 ,若有無理根a + b√c , 則a−b√c亦為其根(其中a, b, c∈ Q)。
Note: 實係數多項式必可分解成實係數一次因式或二次因式的乘積。
勘根定理:
設 f (x) = 0為一實係數方程式,若 f (a)f (b) < 0, 則 ∃ c ∈ (a, b) 使得 f (c) = 0 即在a, b 之間至少有一實根 c使得 f (c) = 0
1. 若f (a)f (b) < 0 , 則在 a, b 之間一定有奇數個根。
2. 若f (a)f (b) > 0 , 則在 a, b 之間無根或有偶數個根。
正 n 次方根 √na 的意義:
表 1: 多項式函數與多項式方程式的一些性質
演練 3b: 若二次方程式 2x2+ 3x + c = 0 有虛數根, 求實數c 的範圍? c >
9 8
演練 3c: 若某二次方程式的兩根為 1 +
√6
3 ,1−√ 6
3 , 則此方程式為何? 9x
2− 6x − 5 = 0
演練 3d: 判別二次方程式的根解:
1. 有理係數方程式整數解的個數: 2x2− x − 3 = 0 整係數因式分解法;1個
2. 有理係數方程式有理數解的個數: 2x2− x − 3 = 0 判別式 ∆ 為有理數完全平方數;2個
3. 實係數方程式實數解的個數: x2− 5x + 5 = 0 判別式 ∆ > 0 ;2個
4. 複係數方程式實數解的個數: 2x2+ 2(1− i)x + (1 − i) = 0 設α 為實數解, 代入, 比較實虛部。 無解 ⇒ 兩複數根 5. 複係數方程式實數解的個數: x2+ (1− i)x − i = 0
設α 為實數解, 代入, 比較實虛部。α =−1 ⇒ 有一實根−1, 一複數根i (根與係數關係) 方程式根與係數的關係
範例 4: 設二次方程式 x2− x − 11 = 0 的兩根為 α, β , 求 α β + β
α 的值?
−23 11
演練 4a: 設二次方程式 3x2− 11x + 7 = 0 的兩根為 α, β , 求 1. 1
α + 1 β 值?
11 7
2. α2β + αβ2 值?
77 9
3. (α− 1)(β − 1)值?
32 9
演練 4b: 二次方程式x2− kx + 4 = 0有一根為1 + i,求k 值及方程式另一根為何? k = −3 + i ;2 − 2i 演練 4c: 已知方程式x2 + 6x + k = 0 的兩根差為2, 求常數k 值? k = 8
演練 4d: 在解一元二次方程時, 甲只看錯方程式的常數項, 解出方程式的兩根為 1, 4 ; 而乙恰只看錯 一次項係數,解出兩根為 −1, 6 , 則正確方程式應為何? x
2− 5x − 6 = 0
範例 5: 設方程式 x3 − 3x2 − 13x + k = 0 的三個根成等差數列, 試求 k 值, 並求此方程式的根? k = 15; 三根 −3, 1, 5
演練 5a: 若已知多項式 f (x) = x2− 4x + 3k 除以 x + 5 的餘式為 33 。 求方程式 f (x) = 0 的兩根
乘積? −12
演練 5b: 若已知方程式 x2− 3x + c = 0 的一根為 5, 求常數c 值? 另一根為何? c =−10, r = −2
演練 5c: 二次方程式的兩根和為4, 乘積為5, 則此方程式的兩根為何? 2± i 演練 5d: 若f (x) = (2x + 1)(x2+ x− 3)(x2− x + 3) ,求
1. 方程式 f (x) = 0所有有理根的和?
−1 2
2. 方程式f (x) = 0無理根的和? −1
3. 方程式 f (x) = 0所有實數根的和?
−3 2
4. 方程式f (x) = 0所有根的和?
−1 2
整係數多項式一次因式檢驗法
範例 6: 試分解出 f (x) = 6x4− 5x3+ 9x2+ 4x− 4 的整係數一次因式? f (x) = (2x− 1)(3x + 2)(x2− x + 2)
試求 f (x) = 2x3− 11x2+−7x − 6 的因式分解? f (x) = (2x + 1)(x− 1)(x + 6)
演練 6a: 求多項式 2x3 − x2+ 2x− 3 的整係數一次因式? x− 1
演練 6b: 求多項式 2x3 + 11x2− 7x − 6 的整係數一次因式? x− 1, 2x + 1, x + 6 演練 6c: 找出多項式f (x) = 16x3 − x2 + 116 x − 1 的一次因式?
f (x) = 16(x − 1)(x − 2)(x − 3) 整係數方程式有理根判別法
範例 7: 求方程式 x4− 5x2− 10x − 6 = 0的有理根? −1, 3
求方程式 4x4− 37x2+ 9 = 0 的有理根? ±3, ±
1 2
演練 7a: 求多項式方程式 f (x) = x3− 4x2+ 6x− 4 = 0 的有理根? x = 2; 複數根1± i 演練 7b: 求多項式方程式 f (x) = 2x3+ 10x2+ x + 5 = 0 的有理根? x =−5
演練 7c: 求多項式方程式 f (x) = x3+ x2− 4x − 4 = 0 的有理根? x =−1, ±2
演練 7d: 證明: 方程式 f (x) = x3− 4x − 2 = 0 沒有有理根 有理根判別法
範例 8: 利用一次因式檢驗法 (有理根定理), 證明 √310 是無理數?(hint:f (x) = x3− 10 = 0 沒有 有理根)
演練 8a: 利用有理根判別法, 方程式x4 − 12 = 0沒有有理根。 證明: √4 12是無理數。
範例 9: 將x5 − 4x3+ x2− 4 因式分解至
1. 實係數一次或二次因式乘積為? (x2 − x + 1)(x + 1)(x + 2)(x − 2)
2. 一次因式乘積為? (x− 1+2√3i)(x−1−2√3i)(x + 1)(x + 2)(x− 2) 演練 9a: 試將 f (x) = x3 + 3x2− x − 6 化成
1. 有理係數因式乘積 (x + 2)(x
2+ x− 3)
2. 實係數因式乘積? (解:)x + 2 x + 1
2 +√213
x + 12 − √213 演練 9b: 試將 f (x) = 12x4+ 7x2 − 10化成實係數因式乘積?
1. 有理係數因式乘積 (3x
2− 2)(4x2+ 5) 2. 實係數因式乘積?
(解:)(√3x−√2)(√3x +√2)(4x2+ 5) 3. 一次因式乘積?
(解:)(√3x−√2)(√3x +√2)(x + √5i
2 )(x− √25i)
演練 9c: 若(x− 4) 是多項式 f (x) = 6x3+ ax2+ bx + 8 的因式, 且f (x) 除以 (x + 1)餘式為−15
,試將 f (x) 因式分解實係數一次因式乘積? (x− 4)(2x − 1)(3x + 2)
演練 9d: 試將 f (x) = 3x4+ 5x3+ 25x2+ 45x− 18 表成實係數因式乘積? (解:)3x2+ 27 x− 1
3
x + 2 實係數方程式的共軛複根
範例 10: 已知方程式 x4 − 6x3 + 16x2 − 20x + 12 = 0 有一根是 2 + √2i , 試解這方程式? x = 1± i, 2 ±√
2i
演練 10a: 多項式 f (x) = 2x5− x4− 4x3+ 2x2− 30x + 15
1. 將多項式因式分解成有理係數一次因式或二次因式乘積? (解:)f (x) = (2x− 1)(x2− 5)(x2+ 3)
2. 將多項式因式分解成實係數一次因式或二次因式乘積? (解:)f (x) = (2x− 1)(x +√
5)(x−√
5)(x2+ 3) 3. 將多項式因式分解成一次因式乘積?
(解:)f (x) = (2x− 1)(x +√
5)(x−√
5)(x +√
3i)(x−√ 3i) 4. 解方程式 f (x) = 0所有根
1 2,±√
5,±√ 3i
演練 10b: 已知 1, 1,−4 + i 為實係數四次多項式方程式 f (x) = 0的根, 求此多項式 f (x)?
a(x4+ 6x3+ 2x2− 26x + 17)
演練 10c: 已知 2 + i,−3i為實係數四次多項式 f (x) 的零解(函數值為0),求此多項式? a(x4− 4x3+ 14x2− 36x + 45)
演練 10d: 若已知 f (x) 為領導係數1的有理係數多項式, 且方程式 f (x) = 0 有一根為 −√3, 一根為
1 + i , 求具有最低次數的 f (x) 多項式? x
4− 2x3− x2+ 6x− 6
演練 10e: 解方程式 f (x) = x3− 2x2+ 9x− 18 = 0 x = 2,±3i
演練 10f: 解方程式 f (x) = 2x4 − 9x3− 16x2− 9x − 18 = 0 x =−32, 6,±i 勘根定理應用
範例 11: 已知方程式x3−2x−7 = 0恰有一正根,則此正根介於哪兩連續整數之間? (2, 3) 討論方程式f (x) = x5− x3− 1 = 0 根介於哪兩連續整數之間? (1, 2)
(解:)f (x) = x3(x2− 1) − 1,x < 0, x3(x2− 1) < 0, f(x)恆負; 0 < x < 1, x3(x2− 1) < 0, f(x) 恆負;f (1)f (2) < 0; x > 2, x3(x2− 1) > 1, f(x) 恆正
演練 11a: 利用勘根定理判別方程式 x3+ x2 − 6x = 0在下列區間內是否有實根?
i. 在區間 (−4, −2) 是否有實根? yes
ii. 在區間 (−1, 3) 是否有實根?
(解:)f (−1)f(3) > 0, 無法據此判斷是否有實根。(事實上在區間 (−1, 3) 內有兩實根) 演練 11b: 已知方程式x3 − 3x2+ 5 = 0 恰有一實根,則此根介於哪兩連續整數之間? (−2, −1)
演練 11c: 已知方程式 x3 − 6x2+ 5x + 1 = 0 有三實根, 則此三實根分別介於哪些連續整數的區間? (−1, 0), (1, 2), (4, 5)
演練 11d: 已知方程式f (x) = x3− 5x2+ 3x + 2 = 0 有三實根, 則此三實根分別介於哪些連續整數的
區間? (−1, 0), (1, 2), (4, 5)
笛卡兒符號法則(方程式 f (x) = 0正負根的個數): 實係數多項式 f (x) 按降冪方式排列: 1. 方程式 f (x) = 0的正根的個數最多等於 f (x) 相鄰的非零係數 +、− 符號的變化次數,
或者比它少偶數個個數。
2. 方程式 f (x) = 0 的負根的個數最多等於 f (−x) 相鄰的非零係數 +、−符號的變化次 數,或者比它少偶數個個數。
範例 12: 補充: 利用笛卡兒符號法則, 說明方程式x3+ x2− x − 1 = 0 正負根的個數?
(解:)sign f (x) = x3+ x2− x − 1 = Sign (+ + −−) = 1 , 表方程式 f (x) = 0最多1個正根 sign f (−x) = −x3+ x2+ x− 1 = Sign (− + +−) = 2 ,表方程式 f (x) = 0有2個或0個負根 fact: 方程式 f (x) = (x + 1)2(x− 1) = 0 的根為 x =−1, −1, 1
演練 12a: 判斷方程式 f (x) = x3− x2− 14x + 24 = 0 正負根的個數? 正根: 最多2或0個, 負根: 最多1個
演練 12b: 方程式f (x) = x3 + 7x2+ 4 = 0 所有實根介於哪兩連續整數之間?(笛卡兒符號法則, 勘根 定理)
(解:)笛卡兒符號法則:(正根:0個, 負根: 最多1個)。 實係數方程式虛根成雙定理, 確定1個負 根, 兩共軛複根。
勘根定理: f (−7)(−8) < 0 , 方程式 f (x) = x3 + 7x2+ 4 = 0 只有一實根介於 [−7, −8]
兩整數之間。
習題2-3 多項式方程式 1. 計算 ( 1 + i√
2 )50+ ( 1 − i√ 2 )50=?
2. 設 f (x) = x100+ x50+ 1 , 求f (−1 + i√
2 ) 之值?
3. 設 α =−1 + 2√2i ,利用餘式定理求 α3+ 2α2+ 8α + 15 的值? 4. 化簡(1 + i
1− i)2002 =?
5. 若ω = −1 +
√3i
2 , ω3 = 1 求(−1 +√3i)10+ (1 +√3i)10= a + bi; a, b ∈ R 則a =?, b =?
6. 解二次方程式
(a) 解x2+ x + 1 = 0
(b) 求二次方程式 x2+ 12 = 6x 的複數根? (c) x2+ 5x + 8 = 0
7. 若已知方程式 −3x2+ 9x + c = 0 的一根為 √2, 求常數 c值? 另一根為何? 兩根是否為共軛 複根(為什麼)?
8. 設 α, β 是二次方程式 x2− 2x − 5 = 0 的兩根, 求α2+ β2 與 α3+ β3 值?
9. 設α, β 為方程式 x2+ 3x + 4 = 0 的兩根,試求以 α(β + 1), β(α + 1) 為兩根的二次方程式 為?
10. 已知 α, β 為方程式 5x2− 7x + 4 = 0 的兩根, 求α2+ β2 及 α +1 1 β 之值? 11. 解下列方程式:
(a) 利用綜合除法解 f (x) = x3 − 4x2+ 6x− 4 = 0 (b) 利用有理根判別法解 2x3− 3x2 + 8x− 12 = 0
(c) 若已知x = 3, 2− i 為實係數多項式方程式f (x) = 0的解, 則f (x)領導係數為1的最低 次多項式為何?
12. 討論: 方程式 x3+ x− 1 = 0 是否有實根? 13. 用牛頓定理解方程式 x3+ x2− 10x − 6 = 0
14. 試將 f (x) = 3x4− 11x3+ 10x− 4化成實係數因式乘積? 15. 解 f (x) = x3 + 7x2− 36 = 0
16. 解方程式 f (x) = x5− 5x4+ 12x3− 24x2+ 32x− 16 = 0 的實根?
17. 若 x3+ 3x2− 9x + c 恰可分解兩個相異整係數一次因式, 試因式分解 f (x) , 並求出c 值? 18. 設 f (x) =−4x3+ 5x2+ ax + 4 有x + 2 的一次因式, 求 a =?
19. 試證: 820− 520 是3的倍數也是13的倍數。
20. 設a, b∈ N , 且整係數多項式f (x) = x5− 2ax4+ x3− bx2+ x− 2有一次因式。 則a =?, b =?
21. 試因式分解 x3− 3x2− x + 3
22. 整係數多項式 f (x) = 9x4+ ax3+ bx2+ cx + 1 有四個相異一次因式, 求a− b + c =?
23. 設多項式f (x) = 2x4−9x3+3x2+24x+10,先求f (x) = 0的有理根,進而解方程式 f (x) = 0 24. 找出多項式所有有理係數一次因式?
(a) f (x) = x3+ 3x2− 4x − 12
(b) f (x) = 2x5 − 33x4− 84x3+ 2203x2− 3348x − 10080 25. 解方程式 x3+ x2− x − 1 = 0
26. 若a, b∈ R ,且方程式x4− x3+ x2+ ax + b = 0有一根為1− 2i , 求a, b值? 並解此方程式? 27. 設 f (x) = x3− 2x2+ ax + b = 0為一實係數方程式,且 f (2− i) = −1 − i , 求a, b值? 並求
f (2 + i) =?
28. 實係數方程式 ax3+ 9x2+ ax− 30 = 0 有一根−3 + i , 求 a 值? 及其它根? 29. 若 a, b∈ R , 且 −2 + bi是方程式 x2 + ax + (a + 3) = 0 的一根, 求數對 (a, b) =?
30. 設 α, β, γ 為方程式 x3− 3x2 + x− 4 = 0 之三根,求 α2+ β2+ γ2 =?
31. 解方程式 3x3− 14x2+ 5x + 2 = 0 32. 解方程式 x3− 3x2− x + 6 = 0
33. 若多項式 f (x) = 2x3− 5x2− 4x + 3 ,求 (a) 解方程式 f (x) = 0
(b) 解方程式 f (x− 1) = 0 (c) 解方程式 f (x + 2) = 0 (d) 解方程式 f (2x) = 0
34. 實係數多項式 f (x) ,若 f (3− 2i) = −5 + 4i , 則f (3 + 2i) =?
35. 求滿足下列條件的最低次數多項式? (a) −1 +√
3,−i ,為實係數多項式的零解? (b) −1 +√
3,−i ,為有理係數多項式的零解? (c) −1 +√
3i,i− 1 , 為有理係數多項式的零解? (d) 1
2,2−√
3,2 + i ,為有理係數多項式方程式 f (x) = 0的根?
36. 利用勘根定理求方程式 x3+ x2 + x− 2 = 0 的一個實根之近似值, 並使其誤差小於 1 10 ? 37. 若方程式 2x4− x3+ 2x2− 6x − 5 = 0 ,有一根 1 +
√5
2 ; 求此方程式的其他三根為? 38. 設方程式 x4+ ax3+ bx2 − 4x − 12 = 0 其中兩解為2與 −3 , 試求 a 與b 的值及其他解? 39. 設f (x) = x4− x3− 9x2+ 2x + 10 = 0,則方程式 f (x) = 0的實數根在那些連續的整數之間? 40. 指出方程式 x3− 3x2+ 2x + 7 = 0 的實根在那兩連續整數之間?
41. 判別方程式根:
(a) 判別方程式 x3− 3x2− 2x − 2 = 0 是否有有理根? (b) 判別方程式 x3− x + 6 = 0是否有有理根?
(c) 方程式 x3 + 2x2−√2x− 2√2 = 0 是否有有理根?
(d) 方程式 12x3− 8x2− 21x + 14 = 0 有幾個實數根?