Algebra · real student question

已知 x = (√3 + 1)/(√3 − 1),y = (√3 − 1)/(√3 + 1),求 x + y、xy、x² + y²、x³ + y³ 以及 4x² + 7xy + 4y² 的值。

Question

x=3+131,y=313+1.x=\frac{\sqrt3+1}{\sqrt3-1},\qquad y=\frac{\sqrt3-1}{\sqrt3+1}.

x+yx+yxyxyx2+y2x^2+y^2x3+y3x^3+y^34x2+7xy+4y24x^2+7xy+4y^2 的值。

Step-by-step solution

  1. 先把两个分母有理化——根号一旦离开分母,后面每一步都变得轻而易举。 分子分母同乘分母的共轭式:

    x=3+1313+13+1=(3+1)231=4+232=2+3x=\frac{\sqrt3+1}{\sqrt3-1}\cdot\frac{\sqrt3+1}{\sqrt3+1}=\frac{(\sqrt3+1)^2}{3-1}=\frac{4+2\sqrt3}{2}=2+\sqrt3

    y=313+13131=(31)231=4232=23y=\frac{\sqrt3-1}{\sqrt3+1}\cdot\frac{\sqrt3-1}{\sqrt3-1}=\frac{(\sqrt3-1)^2}{3-1}=\frac{4-2\sqrt3}{2}=2-\sqrt3

    可以看到 xxyy 恰好是一对共轭数,而且 y=1/xy=1/x:这两个分式一开始就互为倒数。

  2. 先算出两个最基本的对称式。 剩下的每一个式子都能由它们拼出来,所以这是全题唯一真正需要计算的地方:

    x+y=(2+3)+(23)=4x+y=(2+\sqrt3)+(2-\sqrt3)=4

    xy=(2+3)(23)=43=1xy=(2+\sqrt3)(2-\sqrt3)=4-3=1

    两个式子里的根号都抵消了——这正是我们要用 x+yx+yxyxy 来处理,而不是分别去算 xxyy 的原因。

  3. 由和的平方得到 x2+y2x^2+y^2 展开 (x+y)2=x2+2xy+y2(x+y)^2=x^2+2xy+y^2 后移项,

    x2+y2=(x+y)22xy=422(1)=14.x^2+y^2=(x+y)^2-2xy=4^2-2(1)=14.

  4. 由和的立方得到 x3+y3x^3+y^3 因为 (x+y)3=x3+y3+3xy(x+y)(x+y)^3=x^3+y^3+3xy(x+y)

    x3+y3=(x+y)33xy(x+y)=433(1)(4)=6412=52.x^3+y^3=(x+y)^3-3xy(x+y)=4^3-3(1)(4)=64-12=52.

    (用因式分解 x3+y3=(x+y)(x2xy+y2)=4(141)=52x^3+y^3=(x+y)(x^2-xy+y^2)=4(14-1)=52 也得到同样的值,可以互相印证。)

  5. 把最后一个式子重新分组,让它只用已知量表示。

    4x2+7xy+4y2=4(x2+y2)+7xy=4(14)+7(1)=56+7=63.4x^2+7xy+4y^2=4(x^2+y^2)+7xy=4(14)+7(1)=56+7=63.

    窍门是拆开中间那项的系数:写成 7xy=8xyxy7xy=8xy-xy 也可以,但直接提出 4(x2+y2)4(x^2+y^2) 更短。

  6. 用数值检验。 x=2+33.7320508x=2+\sqrt3\approx3.7320508y=230.2679492y=2-\sqrt3\approx0.2679492。于是 x+y4.000000x+y\approx4.000000xy1.000000xy\approx1.000000x3+y351.999999x^3+y^3\approx51.9999994x2+7xy+4y263.0000004x^2+7xy+4y^2\approx63.000000,与精确值完全吻合。

Answer

x+y=4,xy=1,x2+y2=14,x3+y3=52,4x2+7xy+4y2=63x+y=4,\quad xy=1,\quad x^2+y^2=14,\quad x^3+y^3=52,\quad 4x^2+7xy+4y^2=63

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