主题目录

方程、方程组与换元

基础更新于 2026-09-29

本页目录

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 u2=vu^2=v 应写成 u=±vu=\pm\sqrt v,并要求 v≥0v\ge0
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 11
整体换元 记录新量的取值范围,并把所有合法新解还原

若 AB=0AB=0,可分为 A=0A=0 或 B=0B=0;若 A+B=0A+B=0,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 x,yx,y 对称的方程,令 s=x+y,p=xys=x+y,p=xy,用

x2+y2=s2−2p,x3+y3=s3−3spx^2+y^2=s^2-2p,\qquad x^3+y^3=s^3-3sp

改写。求出 s,ps,p 后,x,yx,y 是 t2−st+p=0t^2-st+p=0 的两根,实数解必须满足 s2−4p≥0s^2-4p\ge0;若要求正数,还须 s>0,p>0s>0,p>0。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 x/yx/y 等比例换元,但必须先独立处理 y=0y=0 的分支。

连等分式与公共比例参数

设 b1,…,bn≠0b_1,\ldots,b_n\ne0,且

a1b1=⋯=anbn=k.\frac{a_1}{b_1}=\cdots=\frac{a_n}{b_n}=k.

则 ai=kbia_i=kb_i。对任意实系数 c1,…,cnc_1,\ldots,c_n,只要 ∑cibi≠0\sum c_ib_i\ne0,便有

∑ciai∑cibi=k.\frac{\sum c_ia_i}{\sum c_ib_i}=k.

证明。 将 ai=kbia_i=kb_i 代入分子,提出 kk 后约去非零分母即可。特别地,两项相加或相减给出

ab=cd=a+cb+d=a−cb−d,\frac ab=\frac cd=\frac{a+c}{b+d}=\frac{a-c}{b-d},

但后两式分别要求 b+d≠0b+d\ne0、b−d≠0b-d\ne0,不必同时都有定义。

设公共值为 kk,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 kk,再还原各变量。若解出某变量时需要除以含 kk 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 x4−5x2+4=0x^4-5x^2+4=0。令 u=x2≥0u=x^2\ge0,得到 (u−1)(u−4)=0(u-1)(u-4)=0,再还原得 x=±1,±2x=\pm1,\pm2。

解 22x−5⋅2x+4=02^{2x}-5\cdot2^x+4=0。令 u=2x>0u=2^x>0,仍得 u=1,4u=1,4,但还原是 x=0,2x=0,2。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 x+y=5,xy=6x+y=5,xy=6,则 x,yx,y 是 t2−5t+6=0t^2-5t+6=0 的两根,故有序解为 (2,3)(2,3)、(3,2)(3,2)。若改为 xy=7xy=7,判别式为 25−28<025-28<0,无实数解。

易错点

把 x+yx+y、xyxy 当成独立实变量时,必须补 (x+y)2≥4xy(x+y)^2\ge4xy。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 u=x2u=x^2 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 u,v,x,y∈{1,…,9}u,v,x,y\in\{1,\ldots,9\} 且 uv−xy=39,uy−xv=66uv-xy=39,uy-xv=66。直接逐个变量枚举不便,先把两式相加、相减:

(u−x)(v+y)=105,(u+x)(y−v)=27.(u-x)(v+y)=105,\qquad (u+x)(y-v)=27.

因 2≤v+y≤182\le v+y\le18、−8≤u−x≤8-8\le u-x\le8,且第一乘积为正,必须 u−x>0u-x>0。检查105的正因子,在这些界内只有 u−x=7,v+y=15u-x=7,v+y=15。于是 (u,x)(u,x) 只能是 (8,1)(8,1) 或 (9,2)(9,2)。

第二式要求 u+xu+x 整除27,排除和为11的后一组,得到 u+x=9,y−v=3u+x=9,y-v=3。再由 v+y=15v+y=15 得 v=6,y=9v=6,y=9。代回两式均成立,唯一解为 (u,v,x,y)=(8,6,1,9)(u,v,x,y)=(8,6,1,9)。

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。

关联阅读

先修:二次函数、方程与不等式 · 指数与对数的运算。

同主题:二次函数、方程与不等式 · 多项式的概念、运算与恒等判定。

返回主题目录 · 全站目录 · 符号约定