Метод алгебраических преобразований уравнений системы

Метод алгебраических преобразований уравнений системы

Ключевые слова: алгебраические преобразования, законы действий над числами, дробные выражения, проценты, пропорциональность, степени, корни.

Законы действий над числами

Дробные выражения

Действия с дробями (предполагается, что знаменатели дробей отличны от нуля):

Проценты

• Нахождение p % числа A: $$B = \frac<100>$$
• Нахождение числа A, если p % его равны B: $$A = \frac

  $$

Пропорциональность

• Основное свойство пропорции: ad = bc. Выражение члена пропорции через остальные: $$a = \frac, c = \frac, b = \frac, d = \frac$$

• Прямая пропорциональность — функция, заданная формулой $$y=kx, k\ne0$$, где k — коэффициент пропорциональности; y, x — пропорциональные переменные.
• Свойство прямой пропорциональности: $$\frac>> = \frac>>$$
• Обратная пропорциональность — функция, заданная формулой $$y = \frac, k\ne0, x\ne0$$
• Свойство обратной пропорциональности: $$\frac>> = \frac>>$$

Степени и корни

Степень с целым показателем

$$a^ = a \cdot a a \cdot a . a$$ (n раз, $$n \in N, n \ne 1$$

Методы решения систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) с примерами

Содержание:

Методы решения систем линейных алгебраических уравнений (СЛАУ)

Метод Крамера

Определение: Системой линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) называется выражение

Определение: Определитель, составленный из коэффициентов при неизвестных, называется главным определителем системы

Крамер предложил следующий метод решения СЛАУ: умножим главный определитель на для этого умножим все элементы первого столбца на эту неизвестную:

Второй столбец умножим на третий столбец — на -ый столбец — на и все эти произведения прибавим к первому столбцу, при этом произведение не изменится:

Согласно записи СЛАУ первый столбец получившегося определителя представляет собой столбец свободных коэффициентов, т.е.

Определение: Определитель называется первым вспомогательным определителем СЛАУ.

Поступая аналогично тому, как описано выше, найдем все вспомогательные определители СЛАУ:

31. Для того чтобы найти вспомогательный определитель i, надо в главном определителе СЛАУ заменить столбец i на столбец свободных коэффициентов.

Определение: Полученные выше соотношения называются формулами Крамера. Используя формулы Крамера, находят неизвестные величины Проанализируем полученные формулы:

• если главный определитель системы отличен от нуля (), то система имеет единственное решение;
• если главный определитель системы равен нулю (), а хотя бы один из вспомогательных определителей отличен от нуля ( или , или, . или ), то система не имеет решений (деление на нуль запрещено);
• если все определители системы равны нулю (), то система имеет бесчисленное множество решений.

Пример:

Решить СЛАУ методом Крамера

Решение:

Прежде всего, обращаем внимание на то, что в последнем уравнении переменные записаны в неправильном порядке, в этом случае говорят, что СЛАУ записана в ненормализованном виде. Нормализуем СЛАУ, для чего запишем неизвестные в последнем уравнении системы в правильном порядке, чтобы одноименные неизвестные были записаны друг под другом

Найдем главный определитель СЛАУ (раскрываем по первой строке)

Так как главный определитель системы отличен от нуля, то СЛАУ имеет единственное решение. Найдем три вспомогательных определителя

Воспользуемся формулами Крамера

Замечание: После нахождения решения СЛАУ надо обязательно провести проверку, для чего найденные числовые значения неизвестных подставляется в нормализованную систему линейных алгебраических уравнений.

Выполним проверку Отсюда видно, что СЛАУ решена верно.

Матричный способ решения СЛАУ

Для решения СЛАУ матричным способом введем в рассмотрение матрицу, составленную из коэффициентов при неизвестных матpицы-столбцы неизвестных и свободных коэффициентов

Тогда СЛАУ можно записать в матричном виде Матричный способ решения СЛАУ состоит в следующем: умножим слева матричное уравнение на обратную матрицу к матрице А, получим в силу того, что произведение найдем Таким образом, для нахождения неизвестных матричным способом, надо найти обратную к А матрицу после чего надо умножить эту матрицу на матрицу-столбец свободных коэффициентов.

Пример:

Решить СЛАУ матричным способом

Решение:

Введем в рассмотрение следующие матрицы

Найдем матрицу (см. Лекцию № 2): найдем детерминант матрицы А.

Пример:

Решение:

Найдем алгебраические дополнения всех элементов Запишем обратную матрицу (в правильности нахождения обратной матрицы убедиться самостоятельно). Подействуем пай денной матрицей на матрицу-столбец свободных коэффициентов В:

Отсюда находим, что х = 1; y = l; z = l.

Метод Гаусса

Метод Гаусса или метод исключения неизвестных состоит в том, чтобы за счет элементарных преобразований привести СЛАУ к треугольному виду. Покажем использование расширенной матрицы, составленной из коэффициентов при неизвестных и расширенной за счет столбца свободных коэффициентов, для приведения СЛАУ к треугольному виду на примере системы, рассматриваемой в этой лекции. Расширенная матрица для СЛАУ имеет вид:

Замечание: В методе Гаусса желательно, чтобы первая строка расширенной матрицы начиналась с единицы.

Обменяем в расширенной матрице первую и вторую строки местами, получим Приведем матрицу к треугольному виду, выполнив следующие преобразования: умножим элементы первой строки на (-2) и прибавим к соответствующим элементам второй строки Разделим все элементы второй строки на (-5), получим эквивалентную матрицу

Умножим элементы первой строки на (—1) и прибавим к соответствующим элементам третьей строки Разделим все элементы третьей строки на (-3), получим Таким образом, эквивалентная СЛАУ имеет вид (напомним, что первый столбец это коэффициенты при неизвестной х, второй — при неизвестной у, третий — при неизвестной z, а за вертикальной чертой находится столбец свободных коэффициентов):

Из первого уравнения находим, что х = 1.

Вывод: Из вышеизложенного материала следует, что вне зависимости от

способа решения СЛАУ всегда должен получаться один и тот же ответ.

Замечание: После нахождения решения СЛАУ надо обязательно выполнить проверку, то есть подставить полученные значения неизвестных в заданную СЛАУ и убедиться в тождественности левой части всех равенств системы соответствующим правым частям. Отметим, что задание СЛАУ всегда верно, то есть, если проверка показывает нарушение оговоренной тождественности, то надо искать ошибку в проведенных вычислениях.

Ранг матрицы. Теорема Кронекера-Капелли

Определение: Рангом матрицы называется наивысший порядок отличного от нуля минора этой матрицы.

Если то среди всевозможных миноров этой матрицы есть хотя бы один минор порядка r, который отличен от нулю, а все миноры порядков больших, чем r, равны нулю.

При вычислении ранга необходимо начинать вычислять миноры 2 порядка, затем миноры 3 порядка и так далее, пока не будут найдены миноры, обращающиеся в нуль. Если все миноры порядка p равны нулю, то и все миноры, порядок которых больше p, равны нулю.

Пример:

Найти ранг матрицы

Решение:

Очевидно, что среди миноров второго порядка есть миноры отличные от нуля, например, среди миноров третьего порядка также есть миноры, которые не равны нулю, например, Очевидно, что определитель четвертого порядка равен нулю, так как он будет содержать строку, состоящую из одних нулей (см. свойство для определителей). Следовательно, ранг матрицы А равен 3.

Теорема Кронекера-Капелли (критерий совместности СЛАУ). Для совместности системы линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) необходимо и достаточно, чтобы ранг расширенной матрицы совпадал с рангом основной матрицы, составленной из коэффициентов при неизвестных величинах.

Следствия из теоремы Кронекера — Капелли

Следствие: Если ранг матрицы совместной системы равен числу неизвестных, то система имеет единственное решение (то есть она определенная).

Следствие: Если ранг матрицы совместной системы меньше числа неизвестных, то система имеет бесчисленное множество решений (т.е. она неопределенная).

В случае неопределенной системы решения ищут следующим образом: выбираются главные неизвестные, число которых равно рангу, а остальные неизвестные считаются свободными; далее главные неизвестные выражаются через свободные и получают множество решений, зависящих от свободных неизвестных. Это множество решений называется общим решением системы. Придавая свободным неизвестным различные произвольные значения, получим бесчисленное множество решений, каждое из которых называется частным решением системы.

• Скалярное произведение и его свойства
• Векторное и смешанное произведения векторов
• Преобразования декартовой системы координат
• Бесконечно малые и бесконечно большие функции
• Критерий совместности Кронекера-Капелли
• Формулы Крамера
• Матричный метод
• Экстремум функции

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Преобразование алгебраических выражений с примерами решения и образцами выполнения

Цель алгебраических преобразований:

При решении задач с помощью алгебры обычно приходится производить арифметические действия над алгебраическими выражениями. Причем непосредственно записанный результат получается в виде нового и часто более сложного выражения.

Пусть, например, требуется к сумме двух чисел а и b прибавить их разность. Записывая указанные действия, мы получим результат в таком виде:

Однако это выражение можно упростить, если воспользоваться
свойствами сложения. Именно, в силу сочетательного и переместительного законов сложения, результат преобразуется так:

Выражения (a + b) + (a — b) и 2a равны тождественно, т. е. равенство между ними справедливо при всех значениях букв а и Ь. Переход от одного алгебраического выражения к другому, тождественно равному ему, называется тождественным преобразованием.

Такого рода преобразования, которые большею частью ведут к упрощению записи результата, почти всегда возможны при действиях над алгебраическими выражениями. Настоящая глава содержит описание приемов, применяемых при’ таких преобразованиях. Этому же вопросу посвящены и две следующие главы.

Типы алгебраических выражений

Определение:

Алгебраические выражения, представляющие собой запись арифметических действий (сложения, вычитания, умножения, деления и возведения в степень), производимых над числами и буквами, называются рациональными алгебраическими выражениями.

Рациональное выражение называется целым, если среди указанных в нем действий нет действия деления на выражение, содержащее буквы. Если же такое действие имеется, то выражение называется дробным. Так, выражения

являются целыми. В последнем примере указано действие деления, но выражение 43 — 35, на которое нужно делить, не содержит букв. В то же время выражения :

являются выражениями дробными.

Заметим, что дробное алгебраическое выражение мажет равняться целому. Так, Поэтому рациональные выражения разделяют на целые и дробные в том виде, в котором они заданы непосредственно, до всяких преобразований.

В этой главе мы будем заниматься преобразованием только целых выражений. Среди целых выражений особенно простыми являются так называемые одночлены.

Одночленами называются произведения, составленные из числового множителя (коэффициента) и одной или нескольких букв, каждая из которых взята в некоторой степени.

Числа, выраженные цифрами (т. е. не обозначенные буквами), также причисляются к одночленам. Коэффициенты в одночленах могут быть целыми и дробными, положительными и отрицательными. При записи одночлена принято писать коэффициент впереди множителей, выраженных буквами. Например,

представляют собой одночлены.

Алгебраическая сумма нескольких одночленов называется многочленом. Например,

Одночлены, входящие в многочлен, называются его членами. Говорят, что многочлен составлен из своих членов. Так, многочлен составлен из одночленов ,и 5.

Одночлены целесообразно рассматривать как частный случай многочленов, именно как многочлены, составленные только из одного члена. Многочлены, составленные из двух членов, называются двучленами, из трех членов — трехчленами.

Отметим следующие свойства одночленов и многочленов.

Одночлен не изменяется, если переставить местами множители, из которых он составлен. Например,

Это свойство одночлена непосредственно следует из переместительного закона умножения.

Многочлен не изменяется, если как угодно изменить порядок
его слагаемых. Например,

Справедливость этого свойства следует из переместительного закона сложения.

§ 3. Приведение подобных членов

Рассмотрим многочлен 5аb — 3аb + 4ab — с. Его можно упростить,
так как члены 5аb, —3ab и 4ab отличаются друг от друга только численными коэффициентами. Такие члены можно соединить в один. Действительно, на основании распределительного закона

Члены многочлена, равные или отличающиеся только коэффициентами, называются подобными. Так, члены 5аb, — 3ab и 4ab подобны.

Если многочлен содержит подобные члены, то его можно упростить по следующему правилу: если многочлен содержит несколько подобных членов, то их можно соединить в один, подобный каждому
из них, приняв за его коэффициент алгебраическую сумму
коэффициентов соединяемых членов. Упрощение многочленов по этому правилу называется приведением подобных членов.

Пример:

Привести подобные члены в многочлене

Решение:

В этом примере имеются две группы подобных членов: (подчеркнутые один раз) и — 4а, 6а (подчеркнутые дважды). Члены первой группы объединяются в

члены второй группы в (- 4+6)a = 2a. Итак,

Правило приведения подобных членов основывается на следующих соображениях. Прежде всего можно на основании переместительного закона расположить члены многочлена так, чтобы все подобные члены оказались рядом. Затем на основании сочетательного закона можно произвести сложение в каждой группе подобных членов. На основании распределительного закона сложение подобных членов сводится к сложению их коэффициентов.

Если многочлен содержит два одночлена, отличающиеся только знаком, то их можно вычеркнуть. Действительно, такие два члена при сложении взаимно уничтожаются, т. е. дают в сумме нуль. Например,

Сложение и вычитание многочленов

Правило. Для того чтобы сложить два или несколько многочленов, нужно сложить все одночлены, из которых эти многочлены составлены.

Затем для упрощения результата следует привести подобные члены.

Правило сложения многочленов непосредственно следует из сочетательного закона сложения.

Правило. Для того чтобы вычесть многочлен из многочлена, нужно к членам уменьшаемого прибавить члены вычитаемого, взятые с противоположными знаками.

Здесь тоже следует .привести подобные члены для упрощения результата.

Правило вычитания многочленов нуждается в некотором пояснении. Мы знаем, что вычесть какое-нибудь число все равно, что прибавить противоположное. Легко видеть, что если некоторое число выражено в виде многочлена, то противоположное ему число равно многочлену, составленному из тех же членов, но взятых с противоположными знаками. Например,

Действительно, два таких многочлена при сложении дают в сумме нуль, так как их члены взаимно умножаются:

Итак, вычесть какой-нибудь многочлен, действительно, все равно, что прибавить многочлен, составленный из тех же членов, но с противоположными знаками.

После того как правила приведения подобных членов, сложения и вычитания многочленов уже освоены, при сложении и вычитании многочленов нет необходимости выписывать промежуточные результаты. Следует сразу писать ответ, осуществляя раскрытие скобок и приведение подобных членов в уме. Например,

При этом нужно аккуратно учитывать знаки коэффициентов. Коэффициенты одночленов, взятых из скобок^ перед которыми стоит знак , нужно брать без изменения, коэффициенты одночленов, взятых из скобок, перед которыми стоит знак , нужно брать с»
противоположными знаками.

Умножение степеней одной буквы и возведение степени в степень

Пример:

Умножить на

Решение:

есть произведение пяти множителей, каждый из
которых равен а. Далее, есть произведение трех множителей,
равных а. Следовательно, есть произведение восьми
множителей, равных а, т. е.

Также можно рассуждать при любых показателях степени, и мы приходим к следующему правилу.

Правило. Произведение степеней с одинаковыми основаниями
равно степени с тем же основанием и с показателем, равным
сумме показателей.

Короче: при умножении степеней с одинаковыми основаниями показатели складываются. Это правило записывается в виде следующей формулы:

Правило применимо не только к преобразованию произведения двух множителей, являющихся степенями одной буквы, но и к преобразованию произведения любого числа множителей этого вида. Например,

Обратимся теперь к возведению степени в степень.

Пример:

Возвести в куб.

Решение:

Правило. Результат возведения степени в степень равен степени с тем же основанием и с показателем, равным произведению показателей, участвующих в действии.

Короче: при возведении степени в степень показатели перемножаются. Правило записывается следующей формулой:

Умножение одночленов

Пример:

Перемножить одночлены

Решение:

Мы решили пример следующим образом. Сначала на основании переместительного закона умножения мы изменили порядок множителей так, что коэффициенты оказались рядом и степени одинаковых букв оказались рядом. После этого на основании сочетательного закона умножили коэффициенты и умножили степени с одинаковыми основаниями.

Таким же образом мы можем выполнить умножение любых одночленов.

Правило. Чтобы перемножить два (или больше) одночлена, нужно перемножить их коэффициенты и затем приписать каждую букву, входящую в умножаемые одночлены, с показателем, равным сумме показателей, с которыми эта буква входит в одночлены. Если какая-либо буква входит только в один одночлен, переписать ее с тем же показателем.

Возведение одночлена в степень

Пример:

Решение:

Так же производится возведение в степень с любым показателем произведения, составленного из любого числа множителей.

Именно, степень произведения нескольких чисел равна произведению степеней множителей с тем же показателем.

Это правило легко применяется к возведению в степень любого одночлена.

Пример:

Конечно, при возведении одночлена в степень нет необходимости записывать промежуточный результат. Следует сразу писать ответ.

Пример:

Умножение многочлена на одночлен

Пример:

Решение:

Здесь нужно умножить сумму чисел и на числoСогласно распределительному закону умножения, нужно каждое слагаемое умножить на это число и сложить результаты. Итак,

Точно таким же образом можно поступать всегда при умножении многочлена на одночлен. Мы пришли к следующему правилу.

Для того чтобы умножить многочлен на одночлен, нужно каждый член многочлена умножить на этот одночлен и результаты сложить.

Конечно, после некоторой тренировки нет необходимости записывать промежуточный результат. Следует писать ответ сразу, выполняя умножение одночленов в уме.

Пример:

Замечание:

Если многочлен не содержит подобных членов, то и при умножении его на любой одночлен получится многочлен, не содержащий подобных членов. Таким образом, при умножении многочлена на одночлен приведение подобных членов в результате умножения невозможно, если только его нельзя было сделать еще до умножения.

Умножение многочлена на многочлен

Пример:

Перемножить многочлены а+2b и За— 2b.

Решение:

Всякий многочлен, в частности многочлен За— 2b , выражает запись результата определенных действий над числами и в конце концов обозначает некоторое число. Поэтому при умножении суммы на это число можно пользоваться распределительным законом

Дальнейшие преобразования сводятся к знакомым для нас действиям— умножению многочлена на одночлен и сложению одночленов. Продолжая вычисления, получим

Сделаем еще один пример, на этот раз не прерывая выкладки рассуждениями.

Пример:

Мы приходим к следующему правилу:

Правило 1. Для того чтобы умножить многочлен на многочлен, нужно каждый член первого множителя умножить на второй множитель, и сложить получившиеся результаты.

Умножение членов первого многочлена на второй можно произведи сразу, и это действие сводится к умножению членов первого многочлена на все члены второго. Таким образом, мы приходим к следующему правилу.

Правило 2. Для того чтобы перемножить два многочлена, нужно каждый член первого многочлена умножить на каждый член второго многочлена и результаты сложить.

Второе правило умножения многочленов сокращает запись по сравнению с первым. Рекомендуется, однако, сначала пользоваться первым правилом и переходить ко второму, когда первое правило уже освоено.

Правила умножения многочленов можно применять и к умножению равных многочленов, т. е. к возведению многочлена в квадрат.
Например,

Умножение нескольких многочленов

Умножение нескольких многочленов следует производить постепенно, объединяя множители каким-либо способом по два. Пример:

Расстановку квадратных скобок можно было, конечно, не делать, а сразу приступить к умножению первых двух множителей.

Пример:

Выполним умножение, объединив первый множитель со вторым, третий с четвертым:

Можно сразу производить умножение нескольких многочленов, руководствуясь следующим правилом:

Чтобы умножить несколько многочленов, нужно составить всеми возможными способами произведения членов, взятых по одному из всех перемножаемых многочленов, и сложить полученные результаты.

Приведем один пример на это правило с подробной записью:

Однако при пользовании этим правилом легко ошибиться, пропустив какую-нибудь комбинацию членов перемножаемых многочленов. Поэтому этим правилом следует пользоваться только в самых простых случаях, например при перемножении двучленов.

Умножение многочленов, содержащих одну букву

Члены многочлена, содержащего одну букву, целесообразно располагать в порядке убывания показателей степеней, с которыми эта буква в него входит. При этом если многочлен содержит так называемый свободный член, т. е. слагаемое, не содержащее букв, то его следует поставить на последнем месте. Например, многочлен после расположения его членов по
убывающим степеням принимает вид

Член многочлена, содержащий наибольшую степень буквы, называется старшим членом многочлена. Показатель степени в старшем члене называется степенью многочлена. Так, старший член многочлена и этот многочлен есть многочлен четвертой степени. Считается условно, что «многочлены»,
состоящие только из свободного члена, т. е. числа, выраженные цифрами, являются многочленами нулевой степени.

Очевидно, что при умножении многочлена, расположенного по
убывающим степеням, на какой-либо одночлен, зависящий от
той же буквы, получается в результате многочлен, также расположенный по убывающим степеням.

При умножении двух расположенных многочленов целесообразно подписывать результаты умножения отдельных членов одного
многочлена на другой друг под другом, сдвигая начало записи так, чтобы подобные члены оказывались в одном столбце. В случае, если степени идут не подряд, следует оставлять между соответствующими одночленами пустые места, так как может оказаться, что, хотя в первой строке одночлен, содержащий некоторую степень буквы, отсутствует, в других строках появятся одночлены этой степени. Пример:

При такой записи умножение многочленов становится похожим на умножение многозначных чисел.

Заметим, что из правила умножения многочленов следует, что старший член произведения двух многочленов равен произведению старших членов множителей. Следовательно, степень произведения двух многочленов равна сумме степеней множителей. Так, при умножении многочлена пятой степени на многочлен третьей степени мы получим многочлен восьмой степени.

При умножении многочленов не очень высокой степени рекомендуется еще один способ, при котором, результат можно писать сразу, без записи промежуточных результатов. При пользовании этим способом некоторые несложные вычисления приходится производить в уме.

Рассмотрим один пример с подробным объяснением порядка действий.

Пример:

Решение:

Старший член произведения данных многочленов равен произведению их старших членов

Далее, в произведение могут входить члены, содержащие и свободный член.

Члены, содержащие получаются по следующей схеме:

Здесь соединены скобками все те слагаемые данных многочленов, при умножении которых получаются члены, содержащие Следовательно, коэффициент в произведении равен 1 • 5 + 3 • 1 =8.

Члены, содержащие получаются так:

Следовательно, коэффициент при равен равен

Коэффициент при в произведении

равен . Наконец, свободный член равен Наконец, свободный член равен

Итак, произведение равно

Ответ.

Конечно, при пользовании этим приемом не нужно переписывать произведение несколько раз, как мы это сделали при объяснении. Нужно прямо выписывать члены результата умножения один за другим, каждый раз сосредоточивая внимание на том, какие члены нужна перемножить, для того чтобы получить х в данной степени, и выполняя все необходимые вычисления в уме.

В особенно простых случаях описанный прием можно применять и при умножении нескольких многочленов.

Пример:

В последнем примере мы сразу записали результат умножения, воспользовавшись общим правилом умножения многочленов (§ 10): чтобы умножить многочлены, нужно составить всеми возможными способами произведения их членов, взятых по одному из каждого множителя, и сложить полученные результаты. Старший член произведения равен произведению старших членов множителей и, следовательно, равен . Далее смотрим, какие члены нужно умножить, чтобы получить одночлены, содержащие . Очевидно, что для этого- нужно из двух скобок взять первое слагаемое, а из третьей — второе и сделать этот выбор всеми возможными способами. Следовательно, коэффициент при равен 2 + 3 + 5 = 10.

Далее, х в первой степени получается при умножении первого слагаемого из одной скобки на вторые слагаемые из остальных двух. Поэтому коэффициент при x равен Наконец свободный член равен просто произведению свободных членов

Сокращенное умножение по формулам

При умножении многочленов часто повторяются некоторые типичные случаи, которые следует запомнить.

Формула 1.т. е. квадрат суммы двух чисел равен квадрату первого числа плюс удвоенное произведение первого числа на второе, плюс квадрат второго числа.

Доказательство:

Формула 2. т. е. квадрат разности двух чисел равен квадрату первого числа минус удвоенное произведение первого числа на второе, плюс квадрат второго числа.

Доказательство:

Формула 3. т. е. произведение
суммы двух чисел на их разность равно разности квадратов этих чисел.

Доказательство:

Рассмотрим несколько примеров на применение этих формул к умножению многочленов. При пользовании формулами следует помнить, что А и В в формулах обозначают любые числа, и в частности, эти числа могут быть выражены в виде одночленов или многочленов.

Пример:

Здесь можно применить формулу 2, принимая Применяя эту формулу, получим

Выписывать промежуточный результат с такой подробностью нет необходимости. По мере развития навыков в пользовании формулами нужно привыкать к возможно более краткой записи.

Пример:

Применяя формулу 1, положивполучим

Пример:

Здесь применена формула 3 при А = 5х, В = 4у.

Рассмотрим теперь более сложный пример.

Пример:

(За + 2b + 4c — d) (За+ 2b — 4с +d). Здесь прежде всего можно применить формулу 3, полагая А = 3а+2b;В = 4с — d. Сделав это, получим

А теперь можно применить формулы 1 и 2 для дальнейших преобразований. Получим

Несколько реже, но все же достаточно часто приходится пользоваться еще следующими формулами.

Формула4. т.е. куб суммы двух чисел равен кубу первого числа, плюс утроенное произведение квадрата первого числа на второе, плюс утроенное произведение первого числа на квадрат второго, плюс куб второго числа.

Формула 5. т. е. куб разности двух чисел равен кубу первого числа минус утроенное произведение квадрата первого числа на второе, плюс утроенное произведение первого числа на квадрат второго, минус куб второго числа.

Доказательства этих формул необходимо произвести самим учащимся.

Формула 6 читается так: произведение суммы двух чисел на неполный квадрат их разности равно сумме кубов этих чисел. Здесь «неполным квадратом разности» чисел А и В названо выражение Название это не точное, но образное и связано с внешним сходством выражения с выражением являющимся квадратом разности чисел A и В.

Таким же образом выражение участвующее в формуле 7, называется неполным квадратом суммы чисел A и В на основании внешнего сходства с выражением

Так что формула 7 читается так: произведение разности двух чисел на неполный квадрат их суммы равно разности кубов этих чисел.

Наконец формула 8 читается так: квадрат суммы нескольких чисел равен сумме их квадратов плюс всевозможные удвоенные произведения этих чисел, взятых по два.

Рассмотрим несколько примеров на. применение формул 4—8.

Пример:

Пример:

Пример:

Здесь результат пишется сразу, как только обнаружено, что второй множитель есть «неполный квадрат разности» чисел 5x и 3у.

Пример:

Здесь применена формула 8.

Пример:

Решение:

Решим этот пример тремя способами:

Здесь мы сначала преобразовали как квадрат суммы, а затем умножили многочлены по общему правилу умножения многочлена на многочлен.

Здесь мы разбили квадрат суммы на «неполный квадрат суммы» и одночлен 2ab, а затем воспользовались распределительным законом и формулой 7.

Способ 3.

В заключение обзора формул сделаем следующее, общее замечание. Всякое преобразование произведения многочленов, которое совершается при помощи формул 1—8, может быть проведено и без применения формул, посредством общих правил умножения многочлена на многочлен. Формулы 1—8 позволяют только в некоторых случаях упростить и сократить вычисления. Поэтому, формулы 1—8 называют формулами сокращенного умножения.

Применение формул сокращенного умножения к устным вычислениям

Формулы сокращенного умножения применяются не только к умножению многочлена на многочлен. Они с успехом могут быть применены к многим вычислениям над числами. Рассмотрим несколько таких примеров.

Пример:

Вычислить 19 • 21

Решение:

Достаточно заметить, что 19 = 20 — 1 и 21 = 20+1, чтобы, воспользовавшись формулой 3, сразу сказать результат. Именно,

Пример:

Как получен этот результат?

Решение:

При помощи формулы 1

Пример:

Пример:

Таким образом, формулы сокращенного умножения удобно применять:

1. При умножении чисел, представляющих собой сумму и разность двух чисел, каждое из которых легко возвести в квадрат.
2. При возведении в квадрат двузначных чисел, близких к «круглым» числам.

Покажем некоторые другие применения. Часто приходится возводить в квадрат числа, очень близкие к единице, причем результат нужно знать приближенно с тем же числом знаков после запятой, с которым дано число, возводимое в квадрат. Например,

Обобщая эти два примера, приходим к следующему выводу. Если а есть очень маленькое по абсолютной величине число, положительное или отрицательное, то

Точное равенство имеет вид Но число

меньше абсолютной величины а во столько же раз, во сколько абсолютная величина а меньше 1. Поэтому, если а очень мало по абсолютной величине, то будет исчезающе малым по сравнению с остальными слагаемыми.

Таким же образом из формулы для куба суммы мы получим приближенную формулу для куба числа, близкого к единице. Именно,

Посмотрим на примере, насколько эта формула точна.

Пример:

Последние два слагаемых исчезающе малы по сравнению с первыми, так что действительно что соответствует указанной приближенной формуле.

Наконец,, формула 3 дает при малых а следующий результат:

Например,

Некоторые выводы

Мы условились рассматривать одночлены как частный случай многочленов, именно как многочлены, составленные из одного члена. Воспользуемся этим соглашением и сделаем следующие выводы:

1. Сумма и разность двух многочленов есть многочлен.
2. Произведение двух многочленов есть многочлен.

А из этих выводов непосредственно следует такая общая теорема:

Всякое целое алгебраическое выражение равно некоторому многочлену.

Или, что то же самое:

Всякое целое алгебраическое выражение может быть преобразовано к виду многочлена.

Действительно, целое алгебраическое выражение есть запись действий сложения, вычитания и умножения (в том числе и умножения равных множителей, т. е. возведения в степень) над числами, часть которых обозначена буквами. Как заданные числа, так и отдельные буквы представляют собой одночлены.

Произведя над ними одно за другим указанные действия, мы будем получать результаты в виде многочленов в силу сформулированных выше выводов. И, наконец, окончательный результат тоже будет иметь вид многочлена, что и требовалось доказать. Например,

Заметим еще, что всякий многочлен равен некоторому
приведенному многочлену, т. е. многочлену, не содержащему подобных членов. Действительно, если многочлен содержит подобные члены, то их можно привести. В силу этого всякое целое алгебраическое выражение можно преобразовать к виду приведенного многочлена.

Цепочка тождественных преобразований называется алгебраической выкладкой. Таким образом, в настоящей главе даны правила проведения выкладки, посредством которой всякое целое алгебраическое выражение может быть преобразовано к виду приведенного многочлена.

Очевидно, что если два приведенных многочлена составлены из одинаковых одночленов, то они равны тождественно, т. е. их значения равны при всех численных значениях входящих в них букв. Верна также и обратная теорема:

Теорема о тождестве. Если два приведенных
многочлена равны тождественно, та они составлены из oдинаковых одночленов.

Доказательство теоремы о тождестве довольно сложно и выходит за рамки курса элементарной алгебры.

Эти две теоремы дают возможность ответить на такой вопрос. Пусть даны два целых алгебраических выражения. Равны они тождественно или нет? Для решения этого вопроса достаточно привести каждое из выражений к виду приведенного многочлена. Если при этом окажется, что полученные многочлены составлены из одинаковых одночленов, то данные выражения тождественно равны. Если же полученные многочлены окажутся различными, т. е. составленными из неодинаковых одночленов, то данные выражения не равны тождественно.

Пример:

Решение:

После преобразований выражение, находящееся в левой части равенства, оказалось равным и выражение, находящееся в правой части равенства, тоже равно . Тождество доказано.

Пример:

Рассмотрим два выражения

Они имеют ряд одинаковых значений. Действительно, при х = 0 они оба равны нулю; при х = 1 каждое из них равно 4 • 2 = 8; при х = 2 первое равно 10 • 8 = 80, второе равно 16 • 5 = 80; при х = 3 первое равно 18 • 20 = 360,
второе 36 • 10 = 360. Может быть они равны тождественно? Для выяснения этого вопроса раскроем скобки:

Таким образом, данные выражения преобразуются в различные приведенные многочлены, и следовательно, они не могут равняться тождественно. И действительно, они принимают различные значения, например при первое выражение равно второе — равно

Решение заданий и задач по предметам:

Дополнительные лекции по высшей математике:

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института