Cómo demostrar que la ecuación [matemáticas] x ^ 5 + x = 10 [/ matemáticas] tiene solo una raíz real que es irracional

Considere cualquier ecuación polinómica con coeficientes enteros:
[matemáticas] a_n x ^ n + \ cdots + a_1 x + a_0 = 0 [/ matemáticas].

Asumamos que x es racional. Luego podemos escribir x en la forma p / q , donde p y q son enteros relativamente primos con q distinto de cero. Vamos a conectar eso a la ecuación:
[matemáticas] a_n (p / q) ^ n + \ cdots + a_1 (p / q) + a_0 = 0 [/ matemáticas].

Para deshacerse de las fracciones, multipliquemos ambos lados por el valor distinto de cero [matemática] q ^ n [/ matemática]. Este es el resultado:
[matemáticas] a_n p ^ n + a_ {n-1} p ^ {n-1} q + \ cdots + a_1 pq ^ {n-1} + a_0 q ^ n = 0 [/ matemáticas].

Puede notar que todos los términos, excepto [matemática] a_0 q ^ n [/ matemática] son ​​múltiplos de p . Por lo tanto, [math] a_0 q ^ n [/ math] también debe ser un múltiplo de p . Pero como p y q son relativamente primos, esto significa que p tiene que dividir [math] a_0 [/ math]. Por la misma razón, [math] q [/ math] tiene que dividir [math] a_n [/ math].


En su caso específico, si hay alguna solución racional p / q, entonces sabemos que q debe dividir 1 y p debe dividir -10. Esto nos da solo ocho candidatos para una solución racional:
[matemáticas] \ {- 10, -5, -2, -1,1,2,5,10 \} [/ matemáticas]
Verifique los ocho manualmente, vea que ninguno de ellos es la raíz de su ecuación y listo.

Para demostrar que [matemáticas] x ^ 5 + x – 10 = 0 [/ matemáticas] no puede tener soluciones racionales, solo tenga en cuenta que este es un polinomio monico con coeficientes enteros, cuyas raíces son enteros algebraicos. Si un número entero algebraico es racional, entonces debe ser un número entero y, dado que sabe que su solución real está en el intervalo abierto [matemáticas] (1,2) [/ matemáticas], es irracional.

Un hecho menos conocido que refina la búsqueda de ceros racionales de un polinomio de grado [matemático] n [/ matemático] [matemático] f (x) = a_0 + a_1x + a_2x ^ 2 + \ cdots + a_nx ^ n [/ matemático ] de coeficientes enteros es el siguiente.

Si [math] p / q [/ math] es un cero racional de [math] f (x) [/ math], siendo [math] p [/ math] y [math] q [/ math] enteros relativamente primos, [matemática] q \ neq 0 [/ matemática] , entonces [matemática] pq [/ matemática] es un factor entero de [matemática] f (1) [/ matemática] , y [matemática] p + q [/ matemática] es un factor entero de [matemáticas] f (-1) [/ matemáticas] .

Para el polinomio [matemática] f (x) = x ^ 5 + x-10 [/ matemática], suponiendo que [matemática] q> 0 [/ matemática], uno tiene que una raíz tan racional debe saturar [matemática] p \ in \ {\ pm 1, \ pm 2, \ pm 5, \ pm 10 \} [/ math] y [math] q = 1 [/ math], mediante la búsqueda habitual de raíces racionales.
Además de eso, como [matemática] f (1) = – 8 [/ matemática] y [matemática] f (-1) = – 12 [/ matemática], la raíz racional [matemática] p / q [/ matemática] también debe satify [matemáticas] p / q \ in \ {2,5 \} [/ matemáticas].
Ahora, es fácil verificar que ninguno de estos enteros sea un cero de [math] f (x) [/ math].

El teorema anteriormente establecido se expresa más generalmente como
Si [math] p / q [/ math] es un cero racional de [math] f (x) [/ math], siendo p y q enteros relativamente primos, [math] q \ neq 0 [/ math] entonces, para cada entero [math] m [/ math], [math] p-mq [/ math] es un factor entero de [math] f (m) [/ math].

Ya hay muy buenas respuestas a esta pregunta. Solo estoy tratando de participar por diversión.

Se nos pide que resuelva [matemática] x ^ 5 + x-10 = 0 [/ matemática]

[matemáticas] \ implica x ^ 5 = 10-x [/ matemáticas]

Ahora, si resolvemos [matemática] y = x ^ 5 [/ matemática] y [matemática] y = 10-x [/ matemática], solo se intersectarían en un punto ya que [matemática] x ^ 5 [/ matemática] es monotónica aumentando y [math] 10-x [/ math] es monotónico decreciente. Como consecuencia de esta situación, estos gráficos se cruzan solo una vez. Esto prueba que la ecuación tiene solo una raíz real .

Esto también se puede demostrar por el hecho de que [matemáticas] f ‘(x) = 5x ^ 4 + 1> 0 \, \ forall x \ epsilon R [/ matemáticas]

Además, las posibles raíces racionales para f (x) no resuelven una raíz para la ecuación f (x) = 0. Además, esta es una función quíntica, y solo se puede reducir a factores bajo circunstancias especiales.

Como sugiere el gráfico, la función quíntica muestra 3 raíces reales y 2 raíces complejas.

Si tratamos de considerar los puntos críticos de la función f (x), tenemos
[matemáticas] 5x ^ 4 + 1 = 0 [/ matemáticas]
[matemáticas] x ^ 4 = – \ frac {1} {5} [/ matemáticas]
[matemáticas] x = no \, real \, solución [/ matemáticas]

lo que nos dice que los puntos de inflexión no se pueden graficar en un plano real. Esta es otra perspectiva que sugiere que la posible raíz real de [matemáticas] f (x) = 0 [/ matemáticas] debe ser irracional.

Si fuera racional, [matemática] \ frac {p} {q} [/ matemática], con lcd (p, q) = 1, entonces

[matemáticas] \ frac {p ^ 5} {q ^ 4} = (-p + 10q) [/ matemáticas].

Sin embargo, debido a que el RHS es un entero, el LHS también debe serlo, por lo que p debe ser un múltiplo de q, lo que contradice el supuesto.

En general, cualquier polinomio con coeficientes enteros y el coeficiente superior igual a 1 solo tiene soluciones enteras irracionales y (gaussianas).
Aún más general: cada denominador de una solución de un polinomio divide su coeficiente superior.

La raíz real tiene que ser irracional debido al teorema de la raíz racional o en este caso integral. Pero también se puede mostrar fácilmente, que la raíz no puede ser racional. Supongamos que la raíz es racional [matemáticas] x = p / q [/ matemáticas] con [matemáticas] p [/ matemáticas] y [matemáticas] q [/ matemáticas] primo relativo. Multiplique la ecuación [math] \ left (\ dfrac pq \ right) ^ 5 = 10- \ dfrac pq [/ math] con [math] q [/ math] que da [math] \ dfrac {p ^ 5} {q ^ 4} = 10q -p [/ matemáticas]. Como el lado derecho de esta última ecuación es un número entero, el lado izquierdo también debe ser un número entero. Pero como [math] p [/ math] y [math] q [/ math] son ​​primos relativos, [math] q [/ math] debe ser un divisor de [math] p [/ math], por lo que debe ser igual a 1, es decir, [math] x [/ math] debe ser un número entero. Pero la ecuación [matemáticas] x ^ 5 + x = 10 [/ matemáticas] no tiene una solución entera. Se sigue que [matemáticas] x [/ matemáticas] debe ser irracional.

Para este tipo de ecuaciones Solución exacta, ver solución general a continuación

o cualquier ecuación de la siguiente forma:

f (x) = x ^ n + x ^ m + 1 = 0

(n & m) son números enteros positivos impares y (n> m)

x = – [1- (1 / n) + (2m-n + 1) / (2! n ^ 2) – (3m-2n + 1) (3m-n + 1) / (3! n ^ 3)
+ (4m-3n + 1) (4m-2n + 1) (4m-n + 1) / (4! N ^ 4)
– (5m-n + 1) (5m-2n + 1) (5m-3n + 1) (5m-4n + 1) / (5! N ^ 5) +…]

por supuesto no hay raíces racionales y tienes razón

Árbitro. desde matemáticas 2004
Libro, solución de ecuaciones por series de potencia, 1991, Biblioteca Nacional de Jordania.

Saludos
Bassam Karzeddin

Escríbelo como x ^ 5 + x-10 = 0.

Hay un cambio de signo, por lo que hay exactamente un cero positivo. Si verifica ceros reales negativos no hay ninguno.
La raíz positiva debe estar entre x = 1 yx = 2. Comprobar las posibilidades del teorema de la raíz racional muestra que ninguno funciona.

Entonces sabemos que tiene que haber una sola raíz positiva. Sabemos que no es racional, por lo que tiene que ser irracional.

Peor aún, “en general, cualquier polinomio con coeficientes enteros y el coeficiente superior igual a 1 solo tiene soluciones enteras irracionales y (gaussianas)”.

Eso no es cierto. Por ejemplo, [matemáticas] x ^ 2-1 = 0 [/ matemáticas] tiene dos soluciones enteras.