含同一个平方根的式子通常能整理成有理部分与根式部分。整理之后,共轭有理化、系数比较和多项式降次都能统一处理。
唯一表示与系数比较
固定正有理数 d,并假定 d 无理。若 a,b,c,e∈Q,则
a+bd=c+ed⟺a=c, b=e.
若 b=e,原等式会推出 d=(c−a)/(b−e)∈Q,矛盾。因此根式部分和有理部分必须分别相等。
这类比较要求系数确为有理数,且固定根式无理。若允许实数系数,2+02=0+12 就说明表示不唯一。也不能未经证明就把任意多个不同根式都当成可独立比较的“字母”,例如 8=22。
共轭乘积与四则运算
称 a−bd 为 a+bd 的根式共轭。二者乘积为有理数 a2−b2d,因此
a+bd1=a2−b2da−bd
适用于 a+bd=0。在本篇条件下,若 a2−b2d=0 而 (a,b)=(0,0),将推出 d=∣a/b∣ 有理,矛盾。所以非零式子的共轭乘积确实非零。
加、减、乘以及除以非零式子后,仍可整理成 u+vd,其中 u,v 有理。例如
1+23+22=1+2.
根式共轭在这里是把 d 的符号改变;复数共轭是把虚部符号改变。二者是不同操作,不应混用名称与适用对象。
有理系数多项式的根式共轭根
设 P 为有理系数多项式,α=a+bd,其中 a,b∈Q、b=0。若 P(α)=0,则 β=a−bd 也满足 P(β)=0。
一个只用多项式除法的证明如下:令
M(x)=(x−α)(x−β)=x2−2ax+a2−b2d.
用有理系数的首一二次式 M 除 P,余式为 ux+v,其中 u,v∈Q。代入 α 得 uα+v=0。由于 α 无理,只能 u=v=0,所以 M 整除 P,从而 β 也是根。
例如有理系数多项式若以 2+3 为根,就必含因子 x2−4x+1。若系数任取实数,此结论失效,如 x−(2+3) 就没有另一个共轭根。
降重根号的条件与公式
设 A≥0,B≥0 且 A2≥B,则
A+B=2A+A2−B+2A−A2−B.
记右侧两被开方数为 u,v,则 u,v≥0、u+v=A、4uv=B,所以右侧平方为 A+B;右侧非负,故等式成立。同样有
A−B=u−v
,因为 u≥v。A,B 为有理数且 A2−B 是有理数的平方时,u,v 都有理,这才真正把嵌套根式化为两个普通根式之和或差。
例如 5+26=3+2,5−26=3−2。差的顺序由主平方根非负确定,不能任意交换。
根式化简中的尺度检查
对正整数 n,
n+12n+2n2−1=n+1n−1+n+1.
将右侧平方即可验证。分母应是 n+1,不能漏掉根号写成 n+1。代入 n=1 时正确两边均为 1,误写式则给出 2/2,立刻暴露问题。
检查复杂根式时,可以按“定义域与非负性—平方后的恒等式—简单端点”顺序进行。端点检查能发现笔误;一般等式仍由前两步证明。
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