F · 复数的四则运算 · 15

复数范围内的一元二次方程

实系数一元二次方程在判别式小于零时没有实根,但可以有复数根。利用 $i^2=-1$,配方后出现的负数也能继续处理,得到一对共轭复根。

先看一个没有实根的方程

考虑 $x^2+2x+5=0$。把常数移项,再在两边加 $1$ 配成完全平方:

$$ x^2+2x=-5,\qquad (x+1)^2=-4. $$

实数的平方不能等于 $-4$,但 $(2i)^2=-4$。因此把右边写成 $(2i)^2$,移项并用平方差分解:

$$ (x+1-2i)(x+1+2i)=0. $$

复数中非零数都有倒数,所以乘积为零时至少有一个因子为零。分别令两个因子为零,得到

$$ x=-1+2i\quad\text{或}\quad x=-1-2i. $$

两根的实部相同、虚部互为相反数,正是一对共轭复数。

从配方得到一般公式

设 $ax^2+bx+c=0$,其中 $a,b,c$ 都是实数且 $a\ne0$。两边乘 $4a$,把常数项移到右边:

$$ 4a^2x^2+4abx=-4ac. $$

两边加 $b^2$,左边就能配成完全平方。记 $\Delta=b^2-4ac$,得到

$$ (2ax+b)^2=b^2-4ac=\Delta. $$

当 $\Delta<0$ 时,令 $m=\sqrt{-\Delta}>0$,则 $\Delta=-m^2=(mi)^2$。移项后用平方差分解:

$$ (2ax+b-mi)(2ax+b+mi)=0. $$

分别令两个因子为零,再除以非零实数 $2a$,得到

$$ x_{1,2}=\dfrac{-b\pm mi}{2a} =\dfrac{-b\pm i\sqrt{-\Delta}}{2a}. $$

两个根的实部都是 $-\dfrac b{2a}$,虚部互为相反数且不为零,因此它们是两个不同的共轭复根。这个结论以方程的系数都是实数为前提。

判别式的三种情形

扩充到复数并不改变原有的实根,只是补上了 $\Delta<0$ 的情形。

判别式根的情况
$\Delta>0$两个不同的实根
$\Delta=0$两个相等的实根,即一个二重根
$\Delta<0$两个不同的共轭复根

例如前面的 $x^2+2x+5=0$ 有 $\Delta=-16$。代入公式:

$$ x=\dfrac{-2\pm4i}{2}=-1\pm2i. $$

这与直接配方得到的结果一致。“没有实根”并不等于“在复数范围内也没有根”。

核心结论

对实系数一元二次方程,当 $\Delta<0$ 时,把负判别式写成 $(i\sqrt{-\Delta})^2$,仍可沿着配方、分解和求根的步骤得到解。

新增的两个根互为共轭;$\Delta\ge0$ 时的实根结论保持不变。