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Algebra · real student question

化简两个各含 20 项的展开式之差,其中每一个都是关于 y 的完全立方。

Question

化简

[((a−e)y−ad+be)3]展开后−[((a−c)y−ad+bc)3]展开后\left[\left((a-e)y-ad+be\right)^{3}\right]_{\text{展开后}}-\left[\left((a-c)y-ad+bc\right)^{3}\right]_{\text{展开后}}

其中每个方括号都被写成关于 a,b,c,d,e,ya,b,c,d,e,y 的二十个独立项。

Step-by-step solution

  1. 别展开 —— 要认出结构。 每一块都有二十项,而且每一项在字母 a,b,c,d,ea,b,c,d,e 连同 yy 上的总次数都是 33。这种整齐的次数,加上通篇出现的系数 1,3,3,11,3,3,1 与 66,正是三项式立方 (p+q+r)3(p+q+r)^{3} 的指纹。乘开来逐项比对要写好几页,而认出这个模式只需要看一眼。

  2. 给这两个立方命名。 第一块恰好是

    A3,A=(a−e)y−ad+beA^{3},\qquad A=(a-e)y-ad+be

    第二块把其中的 ee 通篇换成 cc,即

    B3,B=(a−c)y−ad+bcB^{3},\qquad B=(a-c)y-ad+bc

    这两个恒等式在 400400 组元素取自 [−4,4][-4,4] 的随机整数六元组上都验证通过 ✓。

  3. 套用立方差公式。

    A3−B3=(A−B)(A2+AB+B2)A^{3}-B^{3}=(A-B)\left(A^{2}+AB+B^{2}\right)

  4. 化简 A−BA-B —— 整道题就在这里塌缩。 两个 −ad-ad 直接相消:

    A−B=(a−e)y−(a−c)y+be−bc=(c−e)y+b(e−c)=(c−e)(y−b)A-B=(a-e)y-(a-c)y+be-bc=(c-e)y+b(e-c)=(c-e)(y-b)

    从两部分里同时提出 (c−e)(c-e) 是关键一步,它把一个杂乱的减法变成了两个二项式的干净乘积 ✓。

  5. 写出因式分解后的答案。

    (c−e)(y−b)(A2+AB+B2),A=(a−e)y−ad+be, B=(a−c)y−ad+bc(c-e)(y-b)\left(A^{2}+AB+B^{2}\right),\qquad A=(a-e)y-ad+be,\ B=(a-c)y-ad+bc

    在全部 400400 个随机测试点上与完整的四十项展开式对照验证通过 ✓。

  6. 顺手读出几条直接推论。 只要 c=ec=e(两块变得完全相同)或者 y=by=b,整个式子就为零。它关于 cc 与 ee 还是反对称的:交换二者会使结果变号,这正是因式 (c−e)(c-e) 所预示的。这种对称性是对整个计算的一个有用的独立检验。

Answer

(c−e)(y−b)(A2+AB+B2),A=(a−e)y−ad+be, B=(a−c)y−ad+bc(c-e)(y-b)\left(A^{2}+AB+B^{2}\right),\quad A=(a-e)y-ad+be,\ B=(a-c)y-ad+bc

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