Chuyên đề CÁCH GIẢI một lớp PHƯƠNG TRÌNH hàm đa THỨC đặc BIỆT

Khi tiếp cận với một bài toán đa thức, học sinh thường lúng túng không biết chọn phương hướng như thế nào để tiếp xúc, giải quyết.. Như thế, khi đứng trước một bài toán mới, học sinh sẽ

Trang 1

Trại hè Hùng Vương lần thứ XI, năm 2015

BÀI VIẾT CHUYÊN ĐỀ

CÁCH GIẢI MỘT LỚP PHƯƠNG TRÌNH HÀM ĐA THỨC ĐẶC BIỆT

MÃ: TO15B

tháng 6 năm 2015

Trang 2

MỞ ĐẦU

Đa thức có vị trí quan trọng của kiến thức Toán nói chung, của chương trình THPT, với các lớp chuyên Toán, đặc biệt là trong bồi dưỡng học sinh giỏi Trong các

kỳ thi tuyển chọn học sinh giỏi, kỳ thi Quốc gia, Quốc tế, bài toán đa thức thường xuất hiện ở mức độ không dễ

Các bài toán về đa thức rất phong phú, đa dạng và phức tạp, do đó rất khó để phân loại và hệ thống hóa thành các dạng toán, các chuyên đề riêng biệt

Khi tiếp cận với một bài toán đa thức, học sinh thường lúng túng không biết chọn phương hướng như thế nào để tiếp xúc, giải quyết Hơn nữa, nói chung các bài toán về đa thức thường đòi hỏi vận dụng các kĩ năng biến đổi đại số tương đối phức tạp

Hầu như các sách tham khảo đều trình bày dưới mô hình: đưa ra các bài tập rồi trình bày lời giải Một học sinh khá khi đọc các lời giải đó chỉ hiểu được lời giải đó đúng hay sai mà hầu như không nắm rõ được nguồn gốc của lời giải, không trả lời được câu hỏi tại sao lại có lời giải như thế Như thế, khi đứng trước một bài toán mới, học sinh sẽ không vận dụng được những kiến thức đọc được để giải quyết bài toán Thậm chí, một số giáo viên khi giảng dạy cũng chỉ cung cấp lời giải cho học sinh mà không giải thích tại sao lại giải quyết như vậy cũng như không bình luận gì về bài toán

đó theo kiểu như: nếu thay đổi các dữ liệu, thay đổi giả thiết thì bài toán sẽ như thế nào; hoặc không đặt ra bài toán tương tự, tổng quát; hoặc không rút ra được ‘’cái hồn’’

về mặt ý tưởng, về mặt phương pháp giải toán

Thực tế qua các kỳ thi đại học, học sinh giỏi cấp tỉnh, quốc gia, quốc tế, các bài toán liên quan đến các nội dung Đa thức chiếm một tỷ lệ nhất định và đó là các nội dung khó, thể hiện tính phân loại cao, quyết định đến thứ hạng xếp giải cao của học sinh

Thông qua thực tiễn giảng dạy, qua khảo sát và thực nghiệm cho thấy: Việc giảng dạy và học tập các nội dung về đa thức nói chung, về phương trình hàm đa thức nói riêng thường gặp khó khăn, vướng mắc Trước hết do các tài liệu về các nội dung

Đa thức chưa có nhiều, chưa có tài liệu hệ thống đầy đủ, khoa học về các phương pháp giải toán, chưa đáp ứng được nhu cầu của đa số học sinh giỏi trung học phổ thông làm cho học sinh lúng túng khi tiếp thu lý thuyết và áp dụng lý thuyết vào giải bài tập

Qua thực tiễn bồi dưỡng học sinh giỏi, qua việc tập hợp sưu tầm các bài toán về

đa thức, bản thân tôi cố gắng tối đa hóa, sắp xếp hợp lý một số dạng toán về Đa thức

Bài viết “Cách giải một lớp phương trình hàm đa thức đặc biệt” là một trong

những sự sắp xếp như vậy

Hy vọng qua bài viết này sẽ đóng góp một phần kinh nghiệm để thực hiện tốt công tác giảng dạy, bồi dưỡng học sinh giỏi Toán

Trang 3

NỘI DUNG

Bài toán Tìm tất cả các đa thức P x( )∈ ⎡ ⎤° ⎣ ⎦x thoả mãn

Để giải phương trình ( )* ta làm như sau:

● Biến đổi ( )* suy ra phương trình Q ax b( + ) =kQ x( ),∀ ∈ °x ( )* * , với

P x = R x Q x

+) Nếu k =1 thì Q x( )= ∀ ∈ ⇒c x, ° P x( )=cR x( ),∀ ∈x °

+) Nếu k ≠1;a =1 thì Q x( )= ∀ ∈ ⇒0, x ° P x( )= ∀ ∈0, x °

+) Nếu k ≠1;a ≠1 thì ta làm tiếp tục như sau

● Thay x bởi ( 0)

1

b

a

− và đặt T x( ) Q x 1 b

a

−

⎝ ⎠ thì ta được phương trình

T ax = kT x ∀ ∈ °x

1 1 0 0

−

(* * *) suy ra n và các a i i, =0 1, , ,n −1 Từ đó tìm được T x( )⇒Q x( )⇒P x( )

Để minh họa xin mời bạn đọc cùng theo dõi qua các thí dụ sau

Thí dụ 1 (New York 1976) Tìm tất cả các đa thức P x( )∈ ⎡ ⎤° ⎣ ⎦x thoả mãn

(x −1) (P x+ =1) (x +2) ( )P x ,∀ ∈ °x ( )1

Lời giải

Cho x = 1, từ ( )1 ⇒0.P ( )2 =3.P ( )1 ⇒ P ( )1 = 0

Cho x = 0, từ ( )1 ⇒ −P ( )1 =2.P ( )0 ⇒ P ( )0 =0

Cho x = − 2, từ ( )1 ⇒ −3.P ( )− = ⇒1 0 P ( )− =1 0

Vậy P x( ) (= x x −1)(x +1) ( )Q x với Q x( )∈ ⎡ ⎤° ⎣ ⎦x Thay vào phương trình ( )1 ta được

( )

1

,

, ,

°

Suy ra P x( ) (=c x −1)( )(x x + =1) c x( 3 −x c), là hằng số Thử lại thoả mãn ■

Trang 4

Thí dụ 2 (VMO 1984 - VMC 2000) Cho a b, ∈ ° Tìm tất cả các đa thức

( )

P x ∈ ⎡ ⎤° ⎣ ⎦x thoả mãn

xP x a− = x b P x− ∀ ∈ °x

Lời giải

● Với a =0,b =0 thì P x( ) tuỳ ý

● Với a =0,b ≠0 thì P x( )= ∀ ∈ °0, x

● Với a ≠0,b =0 thì P x( )= ∀ ∈ °c x,

● Với a ≠0,b ≠0 thì xảy ra hai trường hợp

+) Nếu b

a ∉ • thì khi thay x b= vào phương trình ta có x b a= − là nghiệm Tương

tự khi thay x b a= − thì sẽ có x b= −2a là nghiệm Suy ra P x( )= ∀ ∈ °0, x

+) Nếu b

n

a = ∈ • thì P x( ) có x =0,x a x= , =2a, ,x =(n −1)a là nghiệm, suy ra

P x = x x a x− − a x− n − a Q x Thay vào phương trình ( )2 ta được

Q x a− =Q x ∀ ∈ ⇒x ° Q x = ∀ ∈c x °

Vậy P x( )= cx x a x( − )( −2a) (x−(n −1)a),∀ ∈ °x Thử lại thoả mãn.■

Thí dụ 3 (IberoAmerican 2014) Tìm tất cả các đa thức P x( )∈ ⎡ ⎤° ⎣ ⎦x sao cho

(2014) 1

P = và xP x c( − =) (x −2014) ( )P x ,∀ ∈x ° ; c∈¢ ( )3

Lời giải Theo thí dụ 2 thì xảy ra các trường hợp sau

● Nếu c = 0 thì P x( )= ∀ ∈ °0, x , trường hợp này loại do P(2014)=1

● Nếu 2014

c ∉ • thì P x( )= ∀ ∈ °0, x , trường hợp này loại do P (2014) =1

● Nếu 2014

n

c = ∈ • thì P x( )= kx x c x( − )( −2c) (x −(n −1)c)

Với P (2014)= ⇒1 knc nc c nc( − )( −2c) (nc−(n −1)c)=1

Suy ra !( ) 1 1( )

!

n

c n

!

n

c n

Thí dụ 4 (Greece 2014) Tìm tất cả các đa thức P x( )∈ ⎡ ⎤° ⎣ ⎦x thoả mãn

(x2 −6x+8)P x( )=(x2 +2x P x) ( −2),∀ ∈ °x ( )4

Lời giải Phương trình viết lại (x −4)(x −2) ( ) (P x = x x +2) (P x −2),∀ ∈ °x ( )4′

Cho x =0 4,( )′ ⇒ P ( )0 =0

Trang 5

Cho x =4 4,( )′ ⇒P ( )2 =0

Suy ra P x( ) (= x −2)( )(x x +2) ( )Q x Thay vào phương trình ( )4′ ta được

,

′′

°

Cho x =0 4,( )′′ ⇒Q( )0 =0, suy ra Q x( )= xR x( ) Thay vào ( )4′′ , ta được

(x −2)( ) ( ) (x R x = x x −2) (R x −2),∀ ∈ ⇒x ° R x( )= R x( − = ∀ ∈2) c x, °

Do đó P x( ) =cx x2( 2 − =4) (c x4 −4x2) Thử lại thoả mãn ■

Thí dụ 5 (Viet Nam 2003) Tìm tất cả các đa thức P x( )∈ ⎡ ⎤° ⎣ ⎦x sao cho

(x3 +3x2 +3x+2)P x( − =1) (x3 −3x2 +3x−2)P x( ),∀ ∈ °x ( )5

Lời giải Phương trình đã cho được viết lại như sau

(x +2) (x2 + +x 1)P x( − =1) (x −2) (x2 − +x 1)P x( ),∀ ∈ °x ( )5′

Cho x = −2 5,( )′ ⇒ P ( )− =2 0

Cho x =2 5,( )′ ⇒ P( )1 =0

Cho x = −1 5,( )′ ⇒ P ( )− =1 0

Cho x =1 5,( )′ ⇒ P ( )0 =0

Suy ra P x( ) (= x −1)( )(x x +1)(x +2) ( )Q x ,∀ ∈ °x Thay vào ( )5′ , ta được

,

Do (x2 + +x 1, x2 − + =x 1) 1 nên

( )

2

1

, ,

°

Do đó P x( ) (= c x −1)( )(x x +1)(x +2) (x2 + + ∀ ∈ °x 1), x Thử lại thoả mãn.■

Thí dụ 6 Cho k∈ • * Tìm tất cả các đa thức P x( )∈ ⎡ ⎤° ⎣ ⎦x sao cho

(x −2001) ( ) (k P x = x −2002) (k P x +1),∀ ∈ °x ( )6

Lời giải Từ phương trình suy ra x = 2002 là nghiệm bội bậc ≥ k của P x( ), do đó

P x = x − Q x ∀ ∈ °x Thay vào phương trình ( )6 , ta được

Trang 6

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

( )

1

, ,

°

Do đó P x( ) (=c x −2002)k,∀ ∈ °x Thử lại thoả mãn phương trình đã cho.■

Thí dụ 7 (Canada 2013) Tìm tất cả các đa thức P x( )∈ ⎡ ⎤° ⎣ ⎦x sao cho

(x +1) (P x− −1) (x −1) ( )P x là một đa thức hằng ( )7

Lời giải Phương trình đã cho tương đương với

,

°

Đặt Q x( )= P x( )− 2k, ta có (x +1) (Q x − =1) (x −1) ( )Q x ,∀ ∈ °x ( )7′

Cho x =1 7,( )′ ⇒Q( )0 =0

Cho x = −1 7,( )′ ⇒Q( )− =1 0

Suy ra Q x( ) (= x x +1) ( )R x Thay vào phương trình ( )7′ , ta được

( )

1

,

, ,

°

2,

k

Q x = cx x + ⇒ P x =cx x + + ∀ ∈ °x Thử lại thoả mãn phương trình.■

Thí dụ 8 (Kiều Đình Minh) Tìm tất cả các đa thức P x( )∈ ⎡ ⎤° ⎣ ⎦x sao cho

(x2 −x P x) ( + −2) (x2 +5x+6)P x( )=4(x2 +2x),∀ ∈ °x ( )8

Lời giải Phương trình đã cho viết lại như sau

(x2 −x P x)⎡⎣ ( + + +2) x 2⎤⎦ =(x2 +5x+6)⎡⎣P x( )+ x⎤⎦,∀ ∈x °

Đặt Q x( )= P x( )+ x, ta có x x( −1) (Q x +2) (= x +2)(x +3) ( )Q x ,∀ ∈ °x

Giải tương tự như các thí dụ trên ta được

Q x = c x − x x + =c x −x ∀ ∈ ⇒x ° P x = cx − +c x x∀ ∈° Thử lại thoả mãn.■

Thí dụ 9 (CentroAmerican 2008) Tìm tất cả các đa thức P x( )∈ ⎡ ⎤° ⎣ ⎦x sao cho

(x +10) ( ) (P x2 = 8x −32) (P x+6),∀ ∈ °x ( )9 và P ( )1 =210

Trang 7

( ) 1 1

−

n

P x + = a x +

So sánh hệ số của x n+ 1 trong hai vế của phương trình ( )9 , ta được

Cho x = −10 9,( )⇒ P ( )− =4 0

Cho x = −2 9,( )⇒ −48P ( )4 =8P ( )− = ⇒4 0 P ( )4 =0

Cho x =4 9,( )⇒14P ( )8 =0.P ( )10 = ⇒0 P ( )8 =0

Vậy P x( ) (=a x −4)(x +4)(x −8),a∈ °

Do P ( )1 =210⇒ =a 2 Do đó P x( ) (=2 x−8) (x2 −16),∀ ∈ °x Thử lại thoả

mãn.■

Nhận xét: Thay x bởi x − 6 thì ( )9 trở thành

(x +4) (P x2 −12) (= 8x −80) ( )P x ,∀ ∈ °x Suy ra P x( ) (= x +4)(x −8) ( )Q x với (x −4) (Q x2 −12) (=2 x −8) ( )Q x

Đặt Q x( ) (= x −4) ( )R x , suy ra

R x = ⇒c Q x =c x − ⇒ P x =c x − x −

Thí dụ 10 (KHTN 2014) Tìm tất cả các đa thức P x( )∈ ⎡ ⎤° ⎣ ⎦x sao cho

(x −2) (P x3 +2)=32015xP x( )+32016x −3x + ∀ ∈ °6, x ( )10

Lời giải Xét P x( ) =c thì P x( ) = −3 Xét P x( ) không là hằng số

Phương trình đã cho tương đương với

(x −2) (⎡⎣P x3 + +2) 3⎤⎦ =32015x P x⎡⎣ ( )+3⎤⎦,∀ ∈x °

Đặt Q x( )= P x( )+3 thì ta được (x −2) (Q x3 +2)=32015xQ x( ),∀ ∈ °x

Cho x = ⇒2 Q( )2 =0 Đặt Q x( ) (= x −2) ( )R x , ta được

Lại đặt S x( )= R x( −1) thì ta có S x( )3 =32014S x( ),∀ ∈ °x ( )10′

1 1 0 0

−

= + + + + ≠ , thay vào phương trình ( )10′

và so sánh hệ số của x n có 3n 32014 2014

a = a ⇒ =n Tiếp tục so sánh hệ số của

0 1 2013

, , , ,

i

x i = ta được 3i 32014 , 0 1, , ,2013 0, 0 1, , ,2013

Vậy S x( )= cx2014,∀ ∈x ° (c ≠0), từ đó suy ra

Tóm lại ( ) ( )( )2014

P x = c x − x + − ∀ ∈ °x Thử lại thoả mãn phương trình đã

cho.■

Nhận xét: Qua các thí dụ trên bạn đọc có thể tự sáng tác các phương trình hàm đa thức

dạng này theo mong muốn của mình để phục vụ công tác bồi dưỡng học sinh giỏi có

hiệu quả, chẳng hạn

Trang 8

Xuất phát từ Q x( + =1) Q x( ),∀ ∈ ⇒x ° Q x( )= c, ta suy ra

x x − Q x + = x x − Q x Đặt P x( ) (= x x −2) ( )Q x ⇒ P x( + =1) (x +1)(x −1) (Q x +1)

Do đó

+

Hay (x2 −2x P x) ( + =1) (x2 −1)P x( ) và ta có bài toán

Tìm tất cả các đa thức P x( )∈ ⎡ ⎤° ⎣ ⎦x thoả mãn:

(x2 −2x P x) ( + =1) (x2 −1)P x( ),∀ ∈ °x Bằng cách đặt R x( )= P x( )−x thì

Và ta có bài toán

Tìm tất cả các đa thức P x( )∈ ⎡ ⎤° ⎣ ⎦x thoả mãn

(x2 −2x P x) ( + −1) (x2 −1)P x( )=2x2 +2x x,∀ ∈ °

Trang 9

KẾT LUẬN

Bài viết này giải quyết một lớp các bài tập về phương trình hàm đa thức dạng

Tác giả sưu tầm, biên soạn, sáng tác và trình bày lời giải một hệ thống các thí

dụ đã được phân mịn từ mức độ dễ đến khó, từ đó minh họa phương pháp tư duy, tiếp cận một bài tập về phương trình hàm đa thức

Thông qua cách giải quyết các thí dụ, các nhận xét, lời bình, tác giả hy vọng bạn đọc có thể tự sáng tác các bài tập tương tự, tổng quát, có độ phức tập hơn

Mọi lý thuyết đều hình thành từ thực tiễn, thông qua các bài tập chúng ta có thể

đề xuất bài toán tổng quát cho từng nội dung liên quan đến bồi dưỡng học sinh giỏi

Để hình thành kỹ năng, phương pháp tư duy, tiếp cận bài tập về đa thức tốt hơn,

đề nghị bạn đọc giải quyết một số bài tập sau

BÀI TẬP

1 (Baltic Way 2010) Tìm tất cả các đa thức P x( )∈ ⎡ ⎤° ⎣ ⎦x thoả mãn

(x −2010) (P x+67)= xP x( ),∀ ∈ ¢x

2 Tìm tất cả các đa thức P x( )∈ ⎡ ⎤° ⎣ ⎦x thoả mãn

xP x − = x − P x ∀ ∈ °x

3 (Croatian 1994) Tìm tất cả các đa thức P x( )∈ ⎡ ⎤° ⎣ ⎦x thoả mãn

xP x n− = x − P x ∀ ∈ °x với n ∈•

(x +4) ( )P x +2x xP x= ( +2),∀ ∈ °x

xP x +P −x = x − + ∀ ∈ °x x

x − P x = x − P x + ∀ ∈ °x

x x − P x = x + P x − ∀ ∈ °x

9 (Irish 1997) Tìm tất cả các đa thức P x( )∈ ⎡ ⎤° ⎣ ⎦x thoả mãn

(x −16) ( )P x2 =16(x −1) ( )P x ,∀ ∈ °x

10 (Nguyễn Vũ Lương) Tìm tất cả các đa thức P x( )∈ ⎡ ⎤° ⎣ ⎦x thoả mãn

(4x2 +4x+2 4)( x2 −2x P x) ( )=(x2 +1)(x2 −3x+2)P x(2 + ∀ ∈ °1), x

11 (Kiều Đình Minh) Tìm tất cả các đa thức P x( )∈ ⎡ ⎤° ⎣ ⎦x thoả mãn

Trang 10

(4x2 +6x P x) ( )−(x2 + −x 2)P x(2 + =1) 2x3 +3x2 +3x+ ∀ ∈ °2, x

12 Chứng minh rằng với mọi số tự nhiên k tồn tại duy nhất đa thức P x k( )∈ ⎡ ⎤° ⎣ ⎦x

bậc k +1 sao cho P k( )0 =0 và ( 1) ( ) k,

P x+ − P x = x ∀ ∈ °x

13 (Bulgaria 2004) Tìm tất cả các cặp đa thức P x Q x( ) ( ), ∈ ⎡ ⎤° ⎣ ⎦x không phải đa thức hằng thoả mãn P x Q x( ) ( + =1) P x( +2004) ( )Q x ,∀ ∈ °x

14 (Putnam 2010) Tìm tất cả các cặp đa thức P x Q x( ) ( ), ∈ ⎡ ⎤° ⎣ ⎦x sao cho

P x Q x + −P x + Q x = ∀ ∈ °x

Định dạng
Số trang	10
Dung lượng	4,57 MB