浅谈强开根公式

Example 0

求 a±b\sqrt{a \pm \sqrt{b}} 的值和判别式。

注意到,要把这个根号开出来,可以把根号里面化为完全平方式。于是作换元,令

a=m2+n2,b=2mna=m^2+n^2, \sqrt{b}=2mn

则

原式=m2+n2±2mn=(m±n)2=m±n\text{原式} = \sqrt{m^2+n^2 \pm 2mn}=\sqrt{(m \pm n)^2}=m \pm n

由 b=2mn\sqrt{b}=2mn 得 4m2n2=b4m^2n^2=b

再次换元,令 x=m2,y=n2x=m^2,y=n^2,则有如下方程组:

{x+y=a4xy=b\left\{\begin{matrix} x+y=a \\4xy=b \end{matrix}\right.

消元,整理得

−x2+ax−14b=0-x^2+ax-\dfrac{1}{4}b=0

由一元二次方程的判别式得

Δ=a2−4×(−1)×(−14b)=a2−b\Delta=a^2-4 \times (-1) \times (-\dfrac{1}{4}b)=a^2-b

由一元二次方程的求根公式得

x1=−a+Δ−2=a−Δ2,x2=−a−Δ−2=a+Δ2x_1=\dfrac{-a+\sqrt{\Delta}}{-2}=\dfrac{a-\sqrt{\Delta}}{2}, x_2=\dfrac{-a-\sqrt{\Delta}}{-2}=\dfrac{a+\sqrt{\Delta}}{2}

所以原方程组有两组解为

{x1=a−Δ2,x2=a+Δ2y1=a+Δ2,y2=a−Δ2\left\{\begin{matrix} x_1=\dfrac{a-\sqrt{\Delta}}{2}, x_2=\dfrac{a+\sqrt{\Delta}}{2} \\y_1=\dfrac{a+\sqrt{\Delta}}{2}, y_2=\dfrac{a-\sqrt{\Delta}}{2} \end{matrix}\right.

注意到,xx 取 x1x_1 或 x2x_2 不影响最终结果,不妨令

x=a+Δ2,y=a−Δ2x=\dfrac{a+\sqrt{\Delta}}{2}, y=\dfrac{a-\sqrt{\Delta}}{2}

则

m=x=a+Δ2,n=y=a−Δ2m=\sqrt{x}=\sqrt{\dfrac{a+\sqrt{\Delta}}{2}}, n=\sqrt{y}=\sqrt{\dfrac{a-\sqrt{\Delta}}{2}}

回代可得

原式=a+Δ2±a−Δ2,Δ=a2−b\text{原式} = \sqrt{\dfrac{a+\sqrt{\Delta}}{2}} \pm \sqrt{\dfrac{a-\sqrt{\Delta}}{2}}, \Delta=a^2-b

结论

a±b=a+Δ2±a−Δ2,Δ=a2−b\sqrt{a \pm \sqrt{b}}=\sqrt{\dfrac{a+\sqrt{\Delta}}{2}} \pm \sqrt{\dfrac{a-\sqrt{\Delta}}{2}}, \Delta=a^2-b

当且仅当 Δ≥0\Delta \ge 0 且为完全平方数时可开根。

特别地,如果 bb 为完全平方数,判别式无效。

Example 1

这是卷子上的题。求 5+26\sqrt{5+2\sqrt{6}} 和 7−210\sqrt{7-2\sqrt{10}} 的值。

解:

因为 5+26=5+24\sqrt{5+2\sqrt{6}}=\sqrt{5+\sqrt{24}}

所以 Δ=52−24=1\Delta=5^2-24=1

所以 5+26=5+12+5−12=3+2\sqrt{5+2\sqrt{6}}=\sqrt{\dfrac{5+1}{2}}+\sqrt{\dfrac{5-1}{2}}=\sqrt{3}+\sqrt{2}

因为 7−210=7+40\sqrt{7-2\sqrt{10}}=\sqrt{7+\sqrt{40}}

所以 Δ=72−40=9\Delta=7^2-40=9

所以 7−210=7+32−7−32=5−2\sqrt{7-2\sqrt{10}}=\sqrt{\dfrac{7+3}{2}}-\sqrt{\dfrac{7-3}{2}}=\sqrt{5}-\sqrt{2}

看上去秒杀。但是我们在考试中偶尔也会遇到这类特别奇葩的题目:

Example 2

这是那张卷子上的压轴题。求 4−10+25+4+10+25\sqrt{4-\sqrt{10+2\sqrt{5}}}+\sqrt{4+\sqrt{10+2\sqrt{5}}} 的值。

第一反应是开 10+25\sqrt{10+2\sqrt{5}},然而开不开。

只能考虑换元。

方法 1:代数换元

令

p=4−10+25,q=4+10+25p=\sqrt{4-\sqrt{10+2\sqrt{5}}}, q=\sqrt{4+\sqrt{10+2\sqrt{5}}}

注意到 p2+q2p^2+q^2 可以消掉 10+25\sqrt{10+2\sqrt{5}},pqpq 则可以在根号下应用平方差公式。

则

p2+q2=4−10+25+4+10+25=8p^2+q^2=4-\sqrt{10+2\sqrt{5}}+4+\sqrt{10+2\sqrt{5}}=8

同时

pq=(4−10+25)(4+10+25)pq=\sqrt{(4-\sqrt{10+2\sqrt{5}})(4+\sqrt{10+2\sqrt{5}})}

=42−(10+25)2=\sqrt{4^2-(\sqrt{10+2\sqrt{5}})^2}

=16−10−25=\sqrt{16-10-2\sqrt{5}}

=6−25=\sqrt{6-2\sqrt{5}}

对 6−25\sqrt{6-2\sqrt{5}} 应用上面的公式,得 pq=5−1pq=\sqrt{5}-1。

所以

(p+q)2=p2+q2+2pq=8+2(5−1)=6+25(p+q)^2=p^2+q^2+2pq=8+2(\sqrt{5}-1)=6+2\sqrt{5}

又因为 原式≥0\text{原式} \ge 0,所以

原式=p+q=6+25\text{原式}=p+q=\sqrt{6+2\sqrt{5}}

对 6+25\sqrt{6+2\sqrt{5}} 应用上面的公式,得 原式=5+1\text{原式}=\sqrt{5}+1。

方法 2:逆用公式

作一个不一样的换元。

令

4−10+25+4+10+25=a+b\sqrt{4-\sqrt{10+2\sqrt{5}}}+\sqrt{4+\sqrt{10+2\sqrt{5}}}=\sqrt{a+\sqrt{b}}

则

4−10+25+4+10+25=a+a2−b2+a−a2−b2\sqrt{4-\sqrt{10+2\sqrt{5}}}+\sqrt{4+\sqrt{10+2\sqrt{5}}}=\sqrt{\dfrac{a+\sqrt{a^2-b}}{2}}+ \sqrt{\dfrac{a-\sqrt{a^2-b}}{2}}

考虑在等式两边构造同构:

8+210+252+8−210+252=a+a2−b2+a−a2−b2\sqrt{\dfrac{8+2\sqrt{10+2\sqrt{5}}}{2}}+\sqrt{\dfrac{8-2\sqrt{10+2\sqrt{5}}}{2}}=\sqrt{\dfrac{a+\sqrt{a^2-b}}{2}}+ \sqrt{\dfrac{a-\sqrt{a^2-b}}{2}}

得到 a=8,a2−b=210+25a=8, \sqrt{a^2-b}=2\sqrt{10+2\sqrt{5}}

解得 b=24−85b=24-8\sqrt{5}

则 原式=8+24−85\text{原式}=\sqrt{8+\sqrt{24-8\sqrt{5}}}

对 24−85\sqrt{24-8\sqrt{5}} 应用公式得 24−85=25−2\sqrt{24-8\sqrt{5}}=2\sqrt{5}-2。

则 原式=6+25\text{原式}=\sqrt{6+2\sqrt{5}}

对 6+25\sqrt{6+2\sqrt{5}} 应用公式,得 原式=5+1\text{原式}=\sqrt{5}+1。

Example 3

来一道逆用公式的模板题。求 22(4+7+4−7)\dfrac{\sqrt{2}}{2}(\sqrt{4+\sqrt{7}}+\sqrt{4-\sqrt{7}}) 的值。

显然我们可以对 4+7+4−7\sqrt{4+\sqrt{7}}+\sqrt{4-\sqrt{7}} 进行代数换元法。但是逆用公式更为快捷。

原式=12(4+7+4−7)=4+72+4−72\text{原式} = \dfrac{1}{\sqrt{2}}(\sqrt{4+\sqrt{7}}+\sqrt{4-\sqrt{7}}) = \sqrt{\dfrac{4+\sqrt{7}}{2}}+\sqrt{\dfrac{4-\sqrt{7}}{2}}

不难看出 4+72+4−72\sqrt{\dfrac{4+\sqrt{7}}{2}}+\sqrt{\dfrac{4-\sqrt{7}}{2}} 是公式的标准形式。

令 原式=a+b\text{原式} = \sqrt{a+\sqrt{b}},则 a=4,a2−b=7a=4, \sqrt{a^2-b} = \sqrt{7},解得 b=9b=9。

所以 原式=4+9=7\text{原式} = \sqrt{4+\sqrt{9}} = \sqrt{7}