Question Number 194953 by dimentri last updated on 20/Jul/23
$$\:{Let}\:{P}\left({x}\right)=\:{x}^{\mathrm{2}} +\frac{{x}}{\mathrm{2}}+{b}\:{and} \\ $$$$\:\:{Q}\left({x}\right)={x}^{\mathrm{2}} +{cx}+{d}\:{be}\:{two}\: \\ $$$$\:\:{polynomial}\:{with}\:{real}\:{coefficients} \\ $$$$\:\:{such}\:{that}\:{P}\left({x}\right){Q}\left({x}\right)=\:{Q}\left({P}\left({x}\right)\right) \\ $$$$\:{for}\:{all}\:{real}\:{x}\:. \\ $$$$\:\:{Find}\:{all}\:{the}\:{real}\:{roots}\:{of}\: \\ $$$$\:\:{P}\left({Q}\left({x}\right)\right)=\mathrm{0}\: \\ $$
Answered by Rasheed.Sindhi last updated on 21/Jul/23
$${P}\left({x}\right)=\:{x}^{\mathrm{2}} +\frac{{x}}{\mathrm{2}}+{b}\:,\:{Q}\left({x}\right)={x}^{\mathrm{2}} +{cx}+{d} \\ $$$${P}\left({x}\right){Q}\left({x}\right)=\:{Q}\left({P}\left({x}\right)\right) \\ $$$${Real}\:{roots}\:{of}\:{P}\left({Q}\left({x}\right)\right)=\mathrm{0}\:? \\ $$$$ \\ $$$${P}\left({x}\right){Q}\left({x}\right)=\:{Q}\left({P}\left({x}\right)\right) \\ $$$${lhs}: \\ $$$$\:\:\:\:{P}\left({x}\right){Q}\left({x}\right)=\left({x}^{\mathrm{2}} +\frac{{x}}{\mathrm{2}}+{b}\right)\left({x}^{\mathrm{2}} +{cx}+{d}\right) \\ $$$$={x}^{\mathrm{4}} +{cx}^{\mathrm{3}} +{dx}^{\mathrm{2}} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{x}^{\mathrm{3}} +\frac{{c}}{\mathrm{2}}{x}^{\mathrm{2}} +\frac{{d}}{\mathrm{2}}{x} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:+{bx}^{\mathrm{2}} +{bcx}+{bd} \\ $$$$={x}^{\mathrm{4}} +\left({c}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right){x}^{\mathrm{3}} +\left({b}+{d}+\frac{{c}}{\mathrm{2}}\right){x}^{\mathrm{2}} +\left({bc}+\frac{{d}}{\mathrm{2}}\right){x}+{bd} \\ $$$$ \\ $$$${rhs}:\:{Q}\left({P}\left({x}\right)\right) \\ $$$${Q}\left({P}\left({x}\right)\right)=\left({x}^{\mathrm{2}} +\frac{{x}}{\mathrm{2}}+{b}\right)^{\mathrm{2}} +{c}\left({x}^{\mathrm{2}} +\frac{{x}}{\mathrm{2}}+{b}\right)+{d} \\ $$$$={x}^{\mathrm{4}} +\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}{x}^{\mathrm{2}} +{b}^{\mathrm{2}} +{x}^{\mathrm{3}} +{bx}+\mathrm{2}{bx}^{\mathrm{2}} +{cx}^{\mathrm{2}} +\frac{{c}}{\mathrm{2}}{x}+{bc}+{d} \\ $$$$={x}^{\mathrm{4}} +{x}^{\mathrm{3}} +\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}{bx}^{\mathrm{2}} +{cx}^{\mathrm{2}} +{bx}+\frac{{c}}{\mathrm{2}}{x}+{b}^{\mathrm{2}} +{bc}+{d} \\ $$$$={x}^{\mathrm{4}} +{x}^{\mathrm{3}} +\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}+\mathrm{2}{b}+{c}\right){x}^{\mathrm{2}} +\left({b}+\frac{{c}}{\mathrm{2}}\right){x}+{b}^{\mathrm{2}} +{bc}+{d} \\ $$$$ \\ $$$$\bullet\:{c}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}=\mathrm{1}\:\:\:\:\: \\ $$$$\:\:\:{c}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}} \\ $$$$\bullet{b}+{d}+\frac{{c}}{\mathrm{2}}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}+\mathrm{2}{b}+{c}\:\:\: \\ $$$$\:\:{b}+{d}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}+\mathrm{2}{b}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}} \\ $$$$\:{d}=\frac{\mathrm{2}{b}+\mathrm{1}}{\mathrm{2}} \\ $$$$\bullet{bc}+\frac{{d}}{\mathrm{2}}={b}+\frac{{c}}{\mathrm{2}}\:\:\:\:\: \\ $$$$\:\:\frac{{b}}{\mathrm{2}}+\frac{\mathrm{2}{b}+\mathrm{1}}{\mathrm{4}}={b}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}} \\ $$$$\:\:\mathrm{2}{b}+\mathrm{2}{b}+\mathrm{1}=\mathrm{4}{b}+\mathrm{1}\:{No}\:{result} \\ $$$$\bullet{bd}={b}^{\mathrm{2}} +{bc}+{d} \\ $$$$\:\:{b}\left(\frac{\mathrm{2}{b}+\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\right)={b}^{\mathrm{2}} +\frac{{b}}{\mathrm{2}}+\frac{\mathrm{2}{b}+\mathrm{1}}{\mathrm{2}} \\ $$$$\mathrm{2}{b}^{\mathrm{2}} +{b}=\mathrm{2}{b}^{\mathrm{2}} +{b}+\mathrm{2}{b}+\mathrm{1} \\ $$$${b}=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\Rightarrow{d}=\frac{\mathrm{2}{b}+\mathrm{1}}{\mathrm{2}}\Rightarrow{d}=\mathrm{0} \\ $$$${P}\left({x}\right)=\:{x}^{\mathrm{2}} +\frac{{x}}{\mathrm{2}}+{b}={x}^{\mathrm{2}} +\frac{{x}}{\mathrm{2}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}=\frac{\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} +{x}−\mathrm{1}}{\mathrm{2}} \\ $$$$\:{Q}\left({x}\right)={x}^{\mathrm{2}} +{cx}+{d}={x}^{\mathrm{2}} +\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{x}=\frac{\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} +{x}}{\mathrm{2}} \\ $$$$ \\ $$$${P}\left({Q}\left({x}\right)\right)=\mathrm{0} \\ $$$$\frac{\mathrm{2}\left(\frac{\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} +{x}}{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{2}} +\left(\frac{\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} +{x}}{\mathrm{2}}\right)−\mathrm{1}}{\mathrm{2}}=\mathrm{0} \\ $$$$\mathrm{2}\left(\frac{\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} +{x}}{\mathrm{2}}\right)^{\mathrm{2}} +\left(\frac{\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} +{x}}{\mathrm{2}}\right)−\mathrm{1}=\mathrm{0} \\ $$$$\frac{\mathrm{4}{x}^{\mathrm{4}} +\mathrm{4}{x}^{\mathrm{3}} +{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}}+\frac{\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} +{x}}{\mathrm{2}}−\mathrm{1}=\mathrm{0} \\ $$$$\mathrm{4}{x}^{\mathrm{4}} +\mathrm{4}{x}^{\mathrm{3}} +\mathrm{3}{x}^{\mathrm{2}} +{x}−\mathrm{2}=\mathrm{0} \\ $$$$\mathrm{4}{x}^{\mathrm{4}} +\mathrm{4}{x}^{\mathrm{3}} +\mathrm{3}{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{3}{x}−\mathrm{2}{x}−\mathrm{2}=\mathrm{0} \\ $$$$\mathrm{4}{x}^{\mathrm{3}} \left({x}+\mathrm{1}\right)+\mathrm{3}{x}\left({x}+\mathrm{1}\right)−\mathrm{2}\left({x}+\mathrm{1}\right)=\mathrm{0} \\ $$$$\left({x}+\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{4}{x}^{\mathrm{3}} +\mathrm{3}{x}−\mathrm{2}\right)=\mathrm{0} \\ $$$$\left({x}+\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}\right)\left(\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} +{x}+\mathrm{2}\right)=\mathrm{0} \\ $$$$\begin{cases}{{x}+\mathrm{1}=\mathrm{0}\Rightarrow{x}=−\mathrm{1}}\\{\mathrm{2}{x}−\mathrm{1}=\mathrm{0}\Rightarrow{x}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}}\\{\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} +{x}+\mathrm{2}=\mathrm{0}\:\left({no}\:{real}\:{roots}\right)}\end{cases} \\ $$$${x}=−\mathrm{1},\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}} \\ $$
Commented by dimentri last updated on 21/Jul/23
$$\:\:\:\:\underbrace{\:} \\ $$