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Sistema de ecuaciones no lineales que conduce a la ecuación cúbica

El sistema de ecuaciones son: $$\begin{align}2x + 3y &= 6 + 5x\\x^2 - 2y^2 - (3x/4y) + 6xy &= 60\end{align}$$

Me puede resolver a través de la sustitución, pero es un proceso arduo para llegar a esta ecuación cúbica:

$$20x^3 + 56x^2 - 243x - 544 = 0$$

Y sólo puedo solucionar esto usando un ordenador.

Hay un método más sencillo?

edit: resulta que no fue un error de impresión que hizo que el problema mucho más difícil. He posteado el problema real de abajo si usted quiere ver.

edit 2: El problema real es mucho menos interesante, pero yo incluido por completo. Hay algunos realmente grandes que las respuestas a las "incorrectas" problema, sin embargo, que son definitivamente vale la pena leer. Gracias a todos por contribuir.

19voto

Nicky Hekster Puntos 17360

Wolfram da dos compleja y una raíz real: $$x=\frac{1}{30}(-28 - \frac{2861}{\sqrt[3]{{498338}+75\sqrt{48312705}}}+\sqrt[3]{{498338}+75\sqrt{48312705}}),$$ lo que muestra que no hay ningún camino más fácil, pero siguiendo el método de Cardano.

15voto

joefieldsend Puntos 371

Hubo un error en la pregunta. Como ya he mencionado, esta fue una de secundaria de un libro de texto que no permiten el uso de software de cómputo (o incluso una calculadora). La pregunta era de una mala calidad de la fotocopia y el estudiante el pensamiento además un signo es un signo de división.

Esto fue lo que el estudiante me dijo que la pregunta era: \begin{align} 2x + 3y &= 6 + 5x\\ x^2 - 2y^2 - 3x ÷ 4y + 6xy &= 60 \end{align} Esto es lo que la pregunta en realidad era: \begin{align} 2x + 3y &= 6 + 5x\\ x^2 - 2y^2 - 3x + 4y + 6xy = 60 \end{align} De problemas y la sustitución de este te deja con: $$ x^2 + x - 12 = 0 $$ y es trivial demostrar que las soluciones son, a continuación,$(3,5)$$(-4,-2)$.

Si alguien está interesado en un desafío mayor, el libro de texto insinúa que hay una solución más elegante que esto (esta es una de las cosas que me confundieron en el primer lugar).

10voto

Kristoffer Ryhl Puntos 4192

$$2x + 3y = 6 + 5x$$$$x^2 - 2y^2 - \frac{3x}{4} + 6xy = 60$$

Deje $\chi=17x+5$ $\gamma=17y-29$
A continuación, $x=\frac1{17}\!\left(\chi-5\right)$ $y=\frac1{17}\!\left(\gamma+29\right)$

$$ \frac2{17}\!\a la izquierda(\chi-5\right) + \frac3{17}\!\a la izquierda(\gamma+29\right) = 6 + \frac5{17}\!\a la izquierda(\chi-5\right) $$ $$ \left(\frac1{17}\!\a la izquierda(\chi-5\right)\right)^2 - 2\cdot\left(\frac1{17}\!\a la izquierda(\gamma+29\right)\right)^2 - \frac{\frac3{17}\!\a la izquierda(\chi-5\right)}{\frac4{17}\!\a la izquierda(\gamma+29\right)} + 6\left(\gamma+29\right)\!\!\a la izquierda(\chi-5\right) = 60 $$

Por expansión, la recopilación de términos y multiplicando con las constantes de estos puede ser bastante fácil de ser transformados en

$$ \gamma=\chi $$ $$ \frac{\chi^2}{289} - \frac{2\gamma^2}{289} +\frac{50276\chi}{289} - \frac{8554\gamma}{289} - \frac{3\chi-15}{4\gamma+116} + 6\chi\gamma\frac{253087}{289} = 60 $$

Desde $\gamma=\chi$ podemos subtitute uno para el otro, para evitar confusiones, yo ahora uso $\lambda=\gamma=\chi$. Esto también reduce la ecuación a $\lambda=\lambda$ que esto reduce a una sola igualdad.

$$ \frac{1733\lambda^2}{289} + \frac{41722\lambda}{289}-\frac{3\lambda-15}{4\lambda+116} = \frac{270427}{289} $$

Estoy cansado de 289

$$ 1 733\lambda^2 + 41 722\lambda-\frac{867\lambda-4 335}{4\lambda+116} = 270 427 $$

Multiplicar con $4\lambda+116$

$$ 6 932\lambda^3+367 916\lambda^2+3 757 177\lambda-31 373 867=0 $$

Dividir con $6 932$

$$ \lambda^3+\frac{91 979\lambda^2}{1 733}+\frac{3 757 177\lambda}{6 932}-\frac{31 373 867}{6 932} = 0 $$

Subtitute $\lambda=v-\frac{91 979}{5 199}$

$$ \left(v-\frac{91 979}{5 199}\right)^3+\frac{91 979\left(v-\frac{91 979}{5 199}\right)^2}{1 733}+\frac{3 757 177 \left(v-\frac{91 979}{5 199}\right)}{6 932}-\frac{31 373 867}{6 932} = 0 $$

Ampliar esta y dividir con $36 039 468$

$$ v^3 - \frac{14 306 982 541}{36 039 468}v - \frac{427 215 759 480 560}{140 526 895 599} = 0 $$

Un salvaje grandes números aparecen.
Darksonn variables utilizadas, es super efectivo.

$$p=-\frac{14 306 982 541}{36 039 468}$$ $$q=-\frac{427 215 759 480 560}{140 526 895 599}$$

$$ v^3 + pv + q=0 $$

Realizar la sustitución de $v=w-\frac p{3w}$

$$ \left(w-\frac p{3}\right)^3+pw-\frac{p^2}{3}+q=0 $$

Expanda la ecuación

$$ w^3 - \frac{p^3}{27w^3} + q = 0 $$

Deje $u=w^3$ y multiplicar por $u$

$$ u^2 + qu - \frac{p^3}{27} = 0 $$

Elegimos una de las raíces, en el extremo que doesnt importa que uno. Si no me cree, pruebe usted mismo.

$$ u=\frac1{18}\left(\sqrt 3\cdot \sqrt{4p^3+27q^2} - 9q\right) $$

Sustituya $w^3=u$

$$ w^3=\frac1{18}\left(\sqrt 3\cdot \sqrt{4p^3+27q^2} - 9q\right) $$

Tomar las tres raíces cuadradas

$$ w_1=-\frac{\sqrt[3]{\sqrt{12p^3+81q^2} - 9q}}{\sqrt[3]{2} \cdot 3^{2/3}} $$ $$ w_2=\frac{\sqrt[3]{\sqrt{12p^3+81q^2} - 9q}}{\sqrt[3]{2} \cdot 3^{2/3}} $$ $$ w_3=\frac{(-1)^{2/3}\cdot \sqrt[3]{\sqrt{12p^3+81q^2} - 9q}}{\sqrt[3]{2} \cdot 3^{2/3}} $$

En el siguiente, el símbolo de $w$ se refiere a cualquiera de las $3$ valores por encima de

Nos wan no invertir $v=w_?-\frac 9{3w_?}$, por lo que tenemos

$$ w=\frac12\cdot\!\a la izquierda(v\pm\sqrt{v^2+12}\right) $$

También se escribe como

$$ v=\frac{w^2-3}w $$

Sabemos que $v=\lambda+\frac{91979}{5199}$

$$ \lambda=\frac{w^2-3}w-\frac{91979}{5199} $$

Sustituto para $w,p,q$

$$ \lambda=\frac{\left(3^{\frac{1}{3}} 2^{\frac{2}{3}} {\left(9 \cdot 3^{\frac{1}{3}} 2^{\frac{2}{3}} - {\left(\frac{3}{12013156} \, \sqrt{3} \sqrt{-11345297051245155823} + \frac{427215759480560}{15614099511}\right)}^{\frac{2}{3}}\right)}\right)}{6 \, {\left(\frac{3}{12013156} \, \sqrt{3} \sqrt{-11345297051245155823} + \frac{427215759480560}{15614099511}\right)}^{\frac{1}{3}}} - \frac{91979}{5199} $$ $$ \lambda=\frac{\left(3^{\frac{1}{6}} 2^{\frac{1}{3}} \\{\a la izquierda(3^{\frac{2}{3}} 2^{\frac{1}{3}} {\left(15597 \, \sqrt{-34035891153735467469} + 1708863037922240\right)}^{2} - 70214429819350206466848\right)}\right)}{374738388264 \, {\left(15597 \, \sqrt{-34035891153735467469} + 1708863037922240\right)}} - \frac{91979}{5199} $$ $$ \lambda=\frac{\left(3^{\frac{1}{6}} 2^{\frac{1}{3}} {\left(3^{\frac{2}{3}} 2^{\frac{1}{3}} {\left(15597 \, \sqrt{-34035891153735467469} + 1708863037922240\right)}^{2} - 70214429819350206466848\right)}\right)}{374738388264 \, {\left(15597 \, \sqrt{-34035891153735467469} + 1708863037922240\right)}} - \frac{91979}{5199} $$

En este momento, estos valores se vuelven tan feo que ni siquiera caben en la respuesta de la zona, así que voy a dejar de hacer la última simple sustitución como ejercicio para el lector.

3voto

dustin Puntos 6005

La primera ecuación simple se convierte en $y = 2 + x$. En Mathematica (no es arduo) ¿

In[11]:= y = 2 + x;
FullSimplify[x^2 - 2 y^2 - ((3 x)/(4 y)) + 6 x*y - 60]

Out[12]= -68 + x (4 + 5 x - 3/(4 (2 + x)))

In[13]:= Together[-68 + x (4 + 5 x - 3/(4 (2 + x)))]

Out[13]= (-544 - 243 x + 56 x^2 + 20 x^3)/(4 (2 + x))

La línea 13 es igual a cero, por lo que se tienen los resultados deseados.

Es incluso más fácil de peinar la línea 11 y 13, así que lee

y = 2 + x;
Together[FullSimplify[x^2 - 2 y^2 - ((3 x)/(4 y)) + 6 x*y - 60]]

Para soluciones, ejecutar NSolve

In[14]:= NSolve[(-544 - 243 x + 56 x^2 + 20 x^3)/(4 (2 + x)) == 0, x]

Out[14]= {{x -> -4.14829}, {x -> 3.32205}, {x -> -1.97376}}

Solución con Resolver

In[16]:= FullSimplify[
 Solve[(-544 - 243 x + 56 x^2 + 20 x^3)/(4 (2 + x)) == 0, x]]

Out[16]= {{x -> Root[-544 - 243 #1 + 56 #1^2 + 20 #1^3 &, 3]}, {x -> 
   Root[-544 - 243 #1 + 56 #1^2 + 20 #1^3 &, 1]}, {x -> 
   Root[-544 - 243 #1 + 56 #1^2 + 20 #1^3 &, 2]}}

La trama de la ecuación racional, y la trama de la cúbico sólo: enter image description here

enter image description here

3voto

Chris Byatt Puntos 106

Yo lo hice en papel así:

reducir la primera ecuación: $$ y = 2 + x $$

sustituto: $$ x^2 - 2(2+x)(2+x) - (3x/4(2+x)) + 6x(2+x) = 60 $$

ampliar: $$ x^2 - 2x^2-8x-8 - 3x/(4x+8) + 6x^2+12x = 60 $$

reducir: $$ 5x^2 + 4x - 8 - 3x/(4x+8) = 60 $$

multiplicar todos los términos por (4x+8): $$ 5x^2(4x+8) + 4x(4x+8) - 8(4x+8) - 3x = 60(4x+8) $$

reducir de nuevo: $$ 20x^3+40x^2 + 16x^2+32x - 32x-64 - 3x = 240x+480 $$

y reducir una vez más: $$ 20x^3 + 56x^2 - 243x - 544 = 0 $$

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