Метод Штурма

Теорема Штурма — мощный инструмент в алгебре и анализе, позволяющий определить точное количество действительных корней многочлена на заданном интервале. Её можно эффективно применять и к полиномам с параметром, чтобы исследовать, как число действительных корней зависит от значения параметра.

Жак Шарль Франсуа Штурм (1803–1855) — швейцарско-французский математик. Он придумал метод, с помощью которого можно точно узнать, сколько действительных корней (то есть решений на числовой прямой) имеет многочлен на любом заданном отрезкене решая уравнение!

Метод Штурма предлагает построить специальный список функций (называется последовательность Штурма), а потом посчитать, как меняются знаки этих функций в точках a и b .

Разница в числе «смен знаков» и даст точное количество корней на этом отрезке.

Теорема Штурма даёт число корней в открытом интервале (α,β) , даже если в концах есть корни — они не учитываются.

Построение последовательности Штурма

Допустим, у нас есть многочлен f(x) . Тогда:

  1. Первый элемент: сам многочлен f0​(x)=f(x)
  1. Второй элемент: его производная f1​(x)=f′(x)
  1. Следующие элементы: берём остаток от деления предыдущих двух, но с минусом:
  • f2​(x)=−остаток от деления f0​ на f1​
  • f3​(x)=−остаток от деления f1​ на f2​
  • и так далее — пока не получим постоянное число (не зависящее от x ).

Подсчет числа корней

Пусть мы построили последовательность: f0​(x), f1​(x), f2​(x), …, fn(x)

Подставляем левую границу отрезка x=a → получаем числа: f0​(a), f1​(a), f2​(a), …

Игнорируем нули и считаем, сколько раз подряд идут разные знаки:
Например: +, +, −, + → смены: +→− (1), −→+ (2) → 2 смены.Это число обозначают V(a) .

То же самое делаем для правой границы x=b → получаем V(b) .

Ответ:Число корней на (a,b]=V(a)−V(b)

Общее правило определения знака

Пусть дан многочлен

f(x) = a_n x^n + a_{n-1} x^{n-1} + \dots + a_1 x + a_0, \quad a_n \ne 0.

Тогда при x→±∞ , достаточно посмотреть на старший член этого многочлена fn(x) .

\operatorname{sgn}\bigl(f(x)\bigr) \xrightarrow[x \to +\infty]{} \operatorname{sgn}(a_n), \qquad
\operatorname{sgn}\bigl(f(x)\bigr) \xrightarrow[x \to -\infty]{} \operatorname{sgn}\bigl(a_n (-1)^n\bigr).

Примеры

Пример 1.

Рассмотрим многочлен:

f(x) = x^2 - 2

Определить сколько корней между x=0 и x=2 .

Построим последовательность Штурма:

\begin{aligned}
f_0(x) &= x^2 - 2, \\
f_1(x) &= f'(x) = 2x, \\
f_2(x) &= -\operatorname{rem}(f_0, f_1) = 2.
\end{aligned}

Значения в точке x = 0 :

f_0(0) = -2,\quad f_1(0) = 0,\quad f_2(0) = 2
\quad\Rightarrow\quad \text{знаки: } -, + \quad\Rightarrow\quad V(0) = 1

Значения в точке x = 2:

f_0(2) = 2,\quad f_1(2) = 4,\quad f_2(2) = 2
\quad\Rightarrow\quad \text{знаки: } +, +, + \quad\Rightarrow\quad V(2) = 0

Число действительных корней:

V(0) - V(2) = 1 - 0 = 1

Следовательно, уравнение x2 — 2 = 0 имеет ровно один корень на интервале (0,2] .

Пример 2.

Рассмотрим кубический многочлен:

f(x) = x^3 - 3x + 1

Построим последовательность Штурма:

\begin{aligned}
f_0(x) &= x^3 - 3x + 1, \\
f_1(x) &= f'(x) = 3x^2 - 3, \\
f_2(x) &= -\operatorname{rem}(f_0, f_1) = 2x - 1, \\
f_3(x) &= -\operatorname{rem}(f_1, f_2) = \frac{9}{4}.
\end{aligned}

Найдём число действительных корней на всей числовой прямой

Чтобы узнать знак fk(x) при x→±∞ , достаточно посмотреть на старший член этого многочлена fk​(x).

 x \to +\infty :\\
f_0 \to +,\quad f_1 \to +,\quad f_2 \to +,\quad f_3 = + \quad\Rightarrow\quad 
V(+\infty) = 0\\
x \to -\infty :\\
f_0 \to -,\quad f_1 \to +,\quad f_2 \to -,\quad f_3 = + \quad\Rightarrow\quad \text{знаки: } -, +, -, + \quad\Rightarrow\quad 
V(-\infty) = 3

Число действительных корней:

V(-\infty) - V(+\infty) = 3 - 0 = 3

Следовательно, уравнение x3 — 3x + 1 = 0 $ имеет три различных действительных корня.

Пример 3.

Рассмотрим многочлен с параметром:

f(x; a) = x^3 - 3x + a,\quad a \in \mathbb{R}

Последовательность Штурма:

\begin{aligned}
f_0(x) &= x^3 - 3x + a, \\
f_1(x) &= f'(x) = 3x^2 - 3, \\
f_2(x) &= -\operatorname{rem}(f_0, f_1) = 2x - a, \\
f_3(x) &= -\operatorname{rem}(f_1, f_2) = 3 - \frac{3a^2}{4}.
\end{aligned}

Анализ пределов:

f0​(x)=x3−3x+a → старший член x3 → при x→−∞ : знак «–»

f1​(x)=3x2−3 → старший член 3x2 → всегда «+» при ∣x∣→∞

f2​(x)=2xa → старший член 2x → при x→−∞ : «–», при x→+∞ : «+»

f3​(x)=3−3a2​/4 — константа, не зависит от x

Знаки зависят от старших степеней и от параметра a

x \to +\infty :\\
(f_0, f_1, f_2, f_3) \to \bigl(+,\, +,\, +,\, \operatorname{sgn}(3 - \tfrac{3a^2}{4})\bigr)
\\
x \to -\infty :\\
(f_0, f_1, f_2, f_3) \to \bigl(-,\, +,\, -,\, \operatorname{sgn}(3 - \tfrac{3a^2}{4})\bigr)

Теперь считаем смены знаков в зависимости от того, положительна или отрицательна f3​.

Анализируем три случая

  1. Если ∣a∣<2 → f3​>0
    • V(−∞)=3 , V(+∞)=0 → 3 корня
  2. Если ∣a∣=2 f3​=0
    • Последовательность обрывается — есть кратный корень2 корня (один двойной)
  3. Если ∣a∣>2 f3​<0
    • V(−∞)=2 , V(+∞)=1 → 1 корень

Таким образом, число корней полностью определяется значением параметра a — и мы это выяснили без решения уравнения!

Число действительных корней:

\text{Количество корней} =
\begin{cases}
3, & |a| < 2, \\
2, & |a| = 2 \quad (\text{кратный корень}), \\
1, & |a| > 2.
\end{cases}

Пример 4.

Найдите все значения параметра a, при которых уравнение

x^3 - 3x + a = 0

имеет ровно два различных действительных корня.

Решение:

У кубического уравнения не может быть ровно два различных корня, если только один из них не является кратным (двойным). То есть:

  • либо 1 корень (и два комплексных),
  • либо 3 различных корня,
  • либо 2 корня, из которых один — двойной (график касается оси).

Значит, нужно найти такие a , при которых уравнение имеет кратный корень.

Кратный корень — это число x0​ , которое одновременно является корнем и самого уравнения, и его производной:

\begin{cases}
x^3 - 3x + a = 0, \\
3x^2 - 3 = 0.
\end{cases}

Из второго уравнения: x2=1⇒x=±1 .

Подставляем в первое:

  • При x=1 : 1−3+a=0⇒a=2
  • При x=−1 : −1+3+a=0⇒a=−2

Проверка:

  • При a=2 : x3−3x+2=(x−1)2(x+2) → корни: x=1 (кратность 2), x=−2 → два различных корня
  • При a=−2 : x3−3x−2=(x+1)2(x−2) → корни: x=−1 (кратность 2), x=2 → два различных корня

Ответ: a=−2 или a=2

Пример 5.

Найдите все значения параметра a, при которых все корни уравнения
ax^2+2(2−a)x+1=0 удовлетворяют условия |x|<1

Задача 1447: https://uchus.online/tasks/bank/79

Решим методом Штурма

Ряд Штурма

\begin{align*}
f_0(x) &= a x^2 + (4-2a)x + 1 \\
f_1(x) &= f_0'(x) = 2a x + 4 - 2a \\
f_2(x) &= -\frac{(a-1)(a-4)}{a}
\end{align*}

Анализ знаков

\textbf{В точке $x = -1$:}\\
\begin{align*}
f_0(-1)& = 3(a-1) \\
f_1(-1)& = 4(1-a) \\
f_2& = -\frac{(a-1)(a-4)}{a}
\end{align*}\\

\textbf{В точке $x = 1$:}\\
\begin{align*}
f_0(1) &= -a + 5 \\
f_1(1) &= 4 \\
f_2 &= -\frac{(a-1)(a-4)}{a}
\end{align*}

Число перемен знаков

N=W(−1)−W(1):

  • 0<a<1: W(−1)=2, W(1)=1 ⇒ N=1 корень в (-1,1) — не подходит (должны быть оба).
  • 1<a<4: W(−1)=2, W(1)=0 ⇒ N=2 корня в (-1,1) — подходит.
  • 4<a<5: W(−1)=1, W(1)=1⇒ N=0 корней в (-1,1) — не подходит (корни вне).
  • a>5: W(−1)=1, W(1)=2 ⇒ N=−1 — невозможно, значит, где-то f1(1) или f0(1) ноль — особый случай.

Граничные точки

a=1: f0(x)=x2+2x+1=(x+1)2, корень -1 не в открытом интервале ⇒ не подходит.
a=4: f0(x)=4x2−4x+1=(2x−1)2, корень 1/2 в (-1,1) ⇒ подходит.
a=5: f0(1)=0 — особый случай, но  5x2−6x+1=0 ⇒ корни 1 и 1/5 ⇒ не все в (-1,1) ⇒ не подходит.

Случай a<0

Можно аналогично проверить — окажется N≤1 корень в (-1,1), так что не подходит.


Случай a=0

Уравнение линейное: 4x+1=0, x=−1/4∈(−1,1) — подходит.


Итог по методу Штурма

Подходят:
a=0 и 1<a≤4.

Дополнительно

https://www.mathedu.ru/text/shafarevich_o_reshenii_uravneniy_vysshyh_stepeney_1954/p21

Прокрутить вверх