Algebra · real student question

若 x = (√3 + 1)/(√3 - 1)、y = (√3 - 1)/(√3 + 1),求 x + y、xy、x^2 + y^2、x^3 + y^3 與 4x^2 + 7xy + 4y^2。

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. 先把兩個分母都有理化——根號一離開分母,後面每一步都變得很輕鬆。 分子分母同乘分母的共軛根式:

    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

    注意 xxyy 剛好互為共軛,而且 y=1/xy=1/x:這兩個分數從一開始就互為倒數。

  2. 算出兩個基本對稱式。 剩下所有式子都能由這兩個組出來,所以它們是本題唯一真正需要計算的東西:

    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

    兩式的根號都消掉了——這正是我們寧可處理 x+yx+yxyxy、而不去分別處理 xxyy 的全部理由。

  3. 由和的平方求 x2+y2x^2+y^2 展開 (x+y)2=x2+2xy+y2(x+y)^2=x^2+2xy+y^2 再移項,

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

  4. 由和的立方求 x3+y3x^3+y^3 因為 (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 也得到同一個值,是很好的交叉驗算。)

  5. 把最後那個式子重新分組,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.

    訣竅是把中間的係數拆開:寫成 7xy=8xyxy7xy=8xy-xy 也行,但直接提出 4(x2+y2)4(x^2+y^2) 更快。

  6. 用數值檢查。 x=2+33.7320508x=2+\sqrt3\approx3.7320508y=230.2679492y=2-\sqrt3\approx0.2679492。則 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,與精確值相符。

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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