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方程、方程组与换元
解方程的核心是把未知对象减少或变成已知类型,同时追踪每一步是否等价。
解方程时保持解集的基本步骤
方程的解是使原方程有意义且两边相等的未知量取值;方程组的解必须同时满足全部方程。首先写出分式、根式、对数等带来的定义域限制,再进行变形。
| 操作 | 等价性与需要检查的条件 |
|---|---|
| 两边加减同一有定义的式子 | 保持等价 |
| 两边乘除同一非零式子 | 保持等价;该式可能为零时先分情况 |
| 两边平方 | 原方程推出新方程;反向还需符号条件或验根 |
| 开平方 | 应写成 ,并要求 |
| 去分母 | 在原分母均非零的条件下等价 |
| 对数化 | 两边必须为正,底数为正且不等于 |
| 整体换元 | 记录新量的取值范围,并把所有合法新解还原 |
若 ,可分为 或 ;若 ,通常不能把两项分别令零。只有已经证明每项非负时,和为零才迫使各项为零。
消元、对称换元与整体关系
线性方程组可通过代入消元或加减消元减少未知数。替换某一方程时,保留足够的其他方程,使变形可以逆向恢复;只取两式之差而丢弃两条原式,一般会增加解。
对关于 对称的方程,令 ,用
改写。求出 后, 是 的两根,实数解必须满足 ;若要求正数,还须 。根不同且题目区分顺序时,应保留两种有序解。
轮换方程组常先相加取得总和或平方和,再相减制造因式;是否能任意交换变量,取决于原方程组是否完全对称。齐次方程可用 等比例换元,但必须先独立处理 的分支。
连等分式与公共比例参数
设 ,且
则 。对任意实系数 ,只要 ,便有
证明。 将 代入分子,提出 后约去非零分母即可。特别地,两项相加或相减给出
但后两式分别要求 、,不必同时都有定义。
设公共值为 ,通常能把连等分式改为若干较简单的代数方程。随后用剩余条件求 ,再还原各变量。若解出某变量时需要除以含 的量,应先检查该量为零的情形;最后代回原分母限制和全部等式。
例:换元要保留范围
解 。令 ,得到 ,再还原得 。
解 。令 ,仍得 ,但还原是 。相同的二次方程,因为换元范围和逆映射不同,原解集不同。
例:对称方程组
若 ,则 是 的两根,故有序解为 、。若改为 ,判别式为 ,无实数解。
易错点
把 、 当成独立实变量时,必须补 。消元所得条件可能只必要不充分,最后须代回全部方程。
四次方程何时需要辅助配方
四次方程先检查能否因式分解或作 等结构换元;没有这些结构时,可先平移消去三次项,再通过辅助参数把四次式写成两平方之差,降为两个二次方程。辅助参数必须满足相应三次方程和正值条件。
完整的参数方程、存在性证明、分解公式及算例集中在四次方程的辅助配方。本篇的一般等价变形规则仍须遵守:保留换元范围,求完二次方程后还原原未知数。
双线性方程组:先相加减制造乘积
已知 且 。直接逐个变量枚举不便,先把两式相加、相减:
因 、,且第一乘积为正,必须 。检查105的正因子,在这些界内只有 。于是 只能是 或 。
第二式要求 整除27,排除和为11的后一组,得到 。再由 得 。代回两式均成立,唯一解为 。
方法要点是先由和差制造结构,再结合整数范围筛选因子;不能只因乘积固定就假设两因子最接近。
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