第一節 解可變換為二次方程的方程
解可變換為二次方程的方程

我們已在之前的課堂中學了如何解一元二次方程。在這一課中,我們將會討論把一些其他方程變換為二次方程並求解的方法。

無論要解的方程是甚麼形式,我們都應先把方程兩邊化簡,再決定用甚麼方法來解方程。有時候,在化簡之後我們會得到一條二次方程,這時我們便能以解二次方程的方法來解這些方程。

所謂(一元)分式方程是指包含分數,而且分母含有未知數的方程。

化簡分式方程涉及有理函數的運算,你可以先重溫該課再繼續學習。

例子一:解方程\(\; \displaystyle \left( 1+\frac{2}{x} \right)(x-1) = 2 \)。

提示

先把方程中的分式放到同一邊化簡,我們有

\begin{align*} \left( 1+\frac{2}{x} \right)(x-1) &= 2 \\ \left( 1+\frac{2}{x} \right)(x-1) - 2 &= 0 \\ \frac{(x+2)}{x}(x-1)-2 &= 0 \\ \frac{(x+2)(x-1)-2x}{x} &= 0 \\ \frac{x^2-x-2}{x} &= 0 \end{align*}

在分母不為零的情況下,一個分數等於零即是其分子等於零。所以,當\(\;x\neq 0\;\)時,我們有\(\;x^2-x-2 = 0\)。這是一條二次方程:

\begin{align*} x^2-x-2 &= 0 \\ (x-2)(x+1) &= 0 \\ x=2 \hbox{ 或 } -1 \end{align*}

即方程的解為\(\;x=2\;\)或\(x=-1\)。

先觀察到全式分母的最大公倍式為\(\;x\)。由於分母不能是零,我們可以把全式乘以\(\;x\;\)以消去所有母,藉此化簡方程。

\begin{align*} \left( 1+\frac{2}{x} \right)(x-1) &= 2 \\ (x+2)(x-1) &= 2x \\ (x^2+x-2)-2x &= 0 \\ x^2-x-2 &= 0 \\ x=2 \hbox{ 或 } -1 \end{align*}

根式方程是指含有根號的方程。在課程中,我們只會討論含有平方根的方程,而不會考慮含有立方根或更高次根號的方程。

例子二:解以下方程

  1. \(2x - 5\sqrt{x} - 3 = 0 \)
  2. \(\sqrt{2x+3} - \sqrt{x-2} = 2\)

提示 a.

  1. 我們有

    \begin{align*} 2x - 5\sqrt{x} - 3 &= 0 \\ 5\sqrt{x} &= 2x - 3 \end{align*}

    把兩邊取平方,得

    \begin{align*} (5\sqrt{x})^2 &= (2x-3)^2 \\ 25x &= 4x^2-12x+9 \\ 4x^2-37x+9 &= 0 \\ (4x-1)(x-9) &= 0 \\ x&=\frac{1}{4} \hbox{ 或 } 9 \end{align*}

    由於我們在解方程的過程中曾經取平方,所以必須驗算

    驗算:當\(\;\displaystyle x=\frac{1}{4}\),我們有

    \[ 2(\frac{1}{4}) - 5\sqrt{\frac{1}{4}} - 3 = \frac{1}{2} - 5(\frac{1}{2}) - 3 = -5 \neq 0 \]

    所以\(\;\displaystyle x=\frac{1}{4}\;\)不是方程的解;當\(\;x=9\),我們有

    \[ 2(9) - 5(\sqrt{9}) - 3 = 18-5(3)-3 = 0 \]

    所以,方程的解為\(\;x=9\)。

    注意 這方程也能以代入法求解。我們將會在下一節討論這種方法。

提示 b.

  1. \begin{align*} \sqrt{2x+3} - \sqrt{x-2} &= 2 \\ \sqrt{2x+3} &= 2 + \sqrt{x-2} \\ 2x+3 &= (2+\sqrt{x-2})^2 \\ 2x+3 &= 4+4\sqrt{x-2}+(x-2) \\ x+1 &= 4\sqrt{x-2} \\ (x+1)^2 &= 16(x-2) \\ x^2+2x+1 &= 16x-32 \\ x^2-14x+33 &= 0 \\ (x-3)(x-11) &= 0 \\ x&=3 \hbox{ 或 } 11 \end{align*}

    驗算:當\(\;\displaystyle x=3\),我們有

    \[ \sqrt{2(3)+3} - \sqrt{3-2} = 3-1 = 2 \]

    當\(\;x=11\),我們有

    \[ \sqrt{2(11)+3} - \sqrt{11-2} = 5-3 = 2 \]

    所以,方程的解為\(\;x=3, 11\)。

對數方程是指對數中含有未知數的方程。

你可以先重溫對數的基本知識及簡易對數方程的解法,再繼續學習。

例子三:解以下方程

  1. \(\log_{2}(x^2-3)-\log_{2}{x} = 1 \)
  2. \(\log_{2x+1}{9} = 2 \)

提示 a.

  1. \begin{align*} \log_{2}(x^2-3)-\log_{2}{x} &= 1 \\ \log_2\left(\frac{x^2-3}{x}\right) &= 1 \end{align*}

    把方程兩邊取指數\(\;2^x\),得

    \begin{align*} \frac{x^2-3}{x} &= 2^1 \\ x^2-3 &= 2x \\ x^2-2x-3 &= 0 \\ (x-3)(x+1) &= 0 \\ x&=3 \hbox{ 或 } -1 \end{align*}

    從驗算得知,當\(\;x=-1\;\)時,\(\log_2(x^2-3) = \log_2((-1)^2-3) = \log_2(-2)\;\)和\(\;\log_2{x}=\log_2(-1)\;\)都沒有定義,所以要捨去此解。故此,方程的解為\(\;x=3\)。

提示 b.

  1. 根據指數與對數的關係,從

    \begin{align*} \log_{2x+1}{9} &= 2 \end{align*}

    可得

    \begin{align*} (2x+1)^2 &= 9 \\ 4x^2 + 4x - 8 &= 0 \\ 4(x-1)(x+2) &= 0 \\ x&=1 \hbox{ 或 } -2 \end{align*}

    從驗算得知,當\(\;x=-2\;\)時,方程中對數的底是\(\;-3 \lt 0\),所以要捨去此解。故此,方程的解為\(\;x=1\)。

互動例子 — 分式方程

考慮方程\(\;\displaystyle \frac{1}{x+1} - \frac{1}{x-1} + \frac{2x}{x^2-1} = 2 \)。

  1. 要使用甚麼方法解方程?

  1. 把所有項放到同一邊再化至最簡,可得(分子和分母首項均需為正數,不要約簡)

    分子為 \(\;x^2+\phantom{}\) \(\;x+\phantom{}\)

    分母為 \(\;x^2+\phantom{}\) \(\;x+\phantom{}\)

  2. 分子和分母有共同的因式嗎?
    • 有,公因式為 x
    • 有,公因式為 x+1
    • 有,公因式為 x-1
    • 沒有公因式
     
    是否可以進行約簡?
    • 可以
    • 不可以

    由於分式方程的分母不可以是零,所以\(\;x\neq 1\)。我們可以把公因式\(\;x-1\;\)約掉,以化簡方程。

  3. 分式方程的解是甚麼?
    • 無解
    • x = 0
    • x = 1
    • x = 0, 1

    你可以重新回答第 1. 題,選擇另一個方法試試。

  1. 運用交叉相乘,再化至最簡,所得的二次方程是(二次式的首項需為正數):

    \(\;x^2+\phantom{}\) \(\;x+\phantom{}\) \(\phantom{}=0\)。

  2. 這條二次方程的根為(請先填上較小的根)

    \(\;x=\phantom{}\)

  3. 再看看開始時的分式方程,這兩個根都是該分式方程的解嗎?

    分式方程的解是甚麼?
    • 無解
    • x = 0
    • x = 1
    • x = 0, 1

    解分式方程後(尤其是我們曾使用交叉相乘的話),我們必須驗算以確保所得的答案合理。在此題中,\(x=1\;\)會令分式方程的分母為零,因此要捨去這個解。

    你可以重新回答第 1. 題,選擇另一個方法試試。

例子:解方程\(\;(\log(x+1))^2 = 1\)。

提示

這方程看起來比例子三更像二次方程,可是我們卻沒有方法把這方程像例子三般,透過對數的運算把方程化簡為二次方程。這時候,使用代入法也許能幫我們找到方程的解。在下一節,我們將會討論如何利用代入法,把一些方程變換為二次方程來求解。

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