第二節 解可變換為二次方程的方程 — 代入法

有時候,某些方程看來很像二次方程,只是變數藏在其它函數之內,但我們沒法利用運算把方程化簡為二次方程。這時,我們可以利用代入法來把這些方程變換為二次方程並求解。

我們也可以把兩種方法混合使用,先簡化方程至可以用代入法的形式,利用代入法後再化簡。

我們來重新看看上一節最後的例子:解方程\(\;(\log(x+1))^2 = 1\)。

提示

代入\(\;u=\log(x+1)\),則方程變成

\begin{align*} u^2 &= 1 \\ u &= 1 \hbox{ 或 } -1 \end{align*}

(記得我們的目標是求\(\;x\;\)而不是\(\;u\),請勿在此停止計算。)由於\(\;u=\log(x+1)\),我們有

\begin{align*} \log(x+1) &= 1 &&\hbox{ 或 } & \log(x+1) &= -1 \\ x+1 &= 10^1 &&\hbox{ 或 } & x+1 &= 10^{-1} \\ x&=9 &&\hbox{ 或 } &-\frac{9}{10} \end{align*}

指數方程是指數中含有未知數的方程。

你可以先重溫指數的基本知識及簡易指數方程的解法,再繼續學習。

例子二:解方程\(\; 4^{x+1} + 7\cdot 2^x - 2 = 0 \)。

提示

首先,考慮

\begin{align*} 4^{x+1} + 7\cdot 2^x - 2 &= 0 \\ 4(2^x)^2 + 7(2^x) - 2 &= 0 \end{align*}

代入\(\;u=2^x\),則方程變成

\begin{align*} 4u^2 + 7u - 2 &= 0 \\ u &= \frac{1}{4} \hbox{ 或 } -2 \end{align*}

由於\(\;u=2^x\),我們有

\begin{align*} 2^x &= \frac{1}{4} &&\hbox{ 或 } & 2^x &= -2 {\href{javascript:void(0);}{\hbox{ (無解) }}} \\ x &= -2 \end{align*}

高次方程即次數大於二的多項式方程。

例子三:解方程\(\;x^5+8x^3-9x = 0\)。

提示

首先注意到\(\;x=0\;\)明顯是方程的一個解,所以我們能把方程分解成:

\begin{align*} x^5+8x^3-9x &= 0 \\ x(x^4+8x^2-9) &= 0 \\ x &= 0 \hbox{ 或 } x^4+8x^2-9 = 0 \end{align*}

在上一步的四次方程中,設\(\;u=x^2\),該方程變換成

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

由於\(\;u=x^2\),我們有

\begin{align*} x^2 &= 1 \hbox{ 或 } x^2 = -9 {\href{javascript:void(0);}{\hbox{ (捨去) }}} \\ x &= 1 \hbox{ 或 } -1 \end{align*}

即方程的實根為\(\;0\;\)、\(1\;\)和\(\;-1\)。(注意:別忘了從第一步得出的解\(\;x=0\)。)

注意 由於所有根都是有理數,你也可以用因式定理來解這個方程,但步驟會繁複得多。

三角方程是三角函數中含有未知數的方程。

你可以先重溫三角函數的基本知識及簡易三角方程的解法,再繼續學習。

例子四:解以下方程,其中\(\;0^{\circ}\leq \theta \leq 360^{\circ}\)

  1. \(\; 2\sin^2\theta - \cos\theta + 1 = 0\)
  2. \(\;\displaystyle\cos\theta = \frac{3}{2}\tan\theta\)

提示 a.

\begin{align*} 2\sin^2\theta - \cos\theta + 1 &= 0 \\ 2(1-\cos^2\theta)-\cos\theta+1 &= 0 \\ 2-2\cos^2\theta-\cos\theta+1 &= 0 \\ 2\cos^2\theta+\cos\theta-3 &= 0 \\ (2\cos\theta+3)(\cos\theta-1) &= 0 \\ \cos\theta = -\frac{3}{2} {\href{javascript:void(0);}{\hbox{ (無解)}}} \quad \hbox{或} \quad \cos\theta &= 1 \\ \theta &= 0^\circ, 360^\circ \end{align*}

提示 b.

\begin{align*} \cos\theta &= \frac{3}{2}\tan\theta \\ \cos\theta &= \frac{3}{2}\frac{\sin\theta}{\cos\theta} \\ 2\cos^2\theta &= 3\sin\theta \\ 2(1-\sin^2\theta)-3\sin\theta &= 0 \\ -2\sin^2\theta-3\sin\theta+2 &= 0 \\ -(2\sin^2\theta-1)(\sin\theta+2) &= 0 \\ \sin\theta = -2 {\href{javascript:void(0);}{\hbox{(無解)}}} \hbox{或}\quad \sin\theta &= \frac{1}{2} \\ \theta &= 30^\circ \hbox{ 或 } 180^\circ-30^\circ \\ \theta &= 30^\circ \hbox{ 或 } 150^\circ \end{align*}
互動例子 — 根式方程

考慮方程\(\;4\sqrt{x+2}-x = 5 \)。

  1. 要使用甚麼方法解方程?


  1. 把含有根號的項放在一邊,其它的放到另一邊,即\(\;4\sqrt{x+2}=x+5\),然後取平方,化至最簡後所得的二次方程是(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. 再看看開始時的根式方程,這兩個根都是該根式方程的解嗎?
     
    根式方程的解是甚麼?
    • 無解
    • x = -1
    • x = 7
    • x = -1, 7
     

    由於解方程中我們曾在方程兩邊同時取平方,故必須驗算。這題中沒有答案需要捨去。

    你可以重新回答第 1. 題,選擇另一個方法試試。


  1. 運用代入法,應設新變數\(\;u\) 為:

    \(u = x+2\)

    \(u = x-2\)

    \(u = \sqrt{x+2}\)

  2. 代入\(\;u=\sqrt{x+2}\),原來的方程會變成二次方程(二次式須化至最簡,且首項需為正數):

    提示

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

  3. 這條二次方程的根為(請先填上較小的根)

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

  4. 由於\(\;u=\sqrt{x+2}\),根式分程的解為(請先填上較小的根,如只有一個根,請在第二個空格內填 "X")

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

    你可以重新回答第 1. 題,選擇另一個方法試試。

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