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二元二次方程组的解法

 遇见数学 2021-05-15

一般的二元二次方程组如上,很不好解。所以中学数学课本里只介绍了很简单的几个例题,并没有给出一般解法,使人总感觉遗憾。我综合了几种资料中的介绍,总算是得到一套完整的解法,特此奉献给大家。其中资料 1 是我最先接触到的,但有的疑问并没有解开,后来参考另几种资料,方得明白。

在开始下面内容以前,先说明一下,二元二次方程组一般由两个方程组成,其中之一如果是一次的,或者是一元的,则利用代入法即可求解,这也就是中学课本里讲过的。因此下面只针对两个方程都是二元二次方程的情况。

下面谈谈我们的思路:如果其中一个方程的式子能分解成两个一次式的乘积,只要把这两个一次式方程分别和另外一个方程联立,当然也就成功了。如果不行呢?我们可以利用恒等变换,得到一个含参数 的新方程(3),进而求解(下面的 即是方程(3)左边分解后得到的两个一次式):

因此,我们的任务包括:得到合适的 值,对二元二次多项式进行分解。幸运的是,这两方面都有公式。

一、二元二次多项式能分解的条件

一个一般的二元二次多项式(注意交叉项和一次项系数前有个

能分解的充分必要条件是:

以上结论的证明参见资料 2(原文给出的行列式有误,对照其后的展开式可知正确表达式)。我们只要把含 的方程(3)各项系数带入上面的行列式,就可以求出合适的 值。可以看出,这个关于 的行列式方程最高是三次的,大不了可以利用三次方程求根公式求出。

二、二元二次多项式分解的方法

有了合适的 ,仅能保证(3)式能够分解,但是如何分解呢?以下给出一种方法——取零法(见资料 3):对可分解的二元二次多项式,先忽略掉所有含 的项,包括交叉项、 的二次项和一次项,对剩余的项进行分解,得到

再忽略掉所有含 的项,对剩余的项进行分解,得到

两式综合在一起(注意两个式子里的常数项是对应的),即原式可分解为

此法简单有效。而其中道理也很简单,把上面几个式子分别展开然后对比系数就可以,只是要注意必须先确定原式能分解才行。

资料 4 中介绍了二元二次多项式因式分解的公式法,比较复杂,这里就不介绍了。

三、某些特殊情况的求解

在资料 1 当中,还给出了几种特殊情况下的处理方法,即:

  1. 时,(3)中的二次项可消去;
  2. 时,(3)中含 的项可消去(不包括 项,有常数项);
  3. 时,(3)中含 的项可消去(不包括 项,有常数项);
  4. 时,(3)中只保留含有 的项(包括 项,无常数项);
  5. 时,(3)中只保留含有 的项(包括 项,无常数项)。

在上述五种情况下,(3)式左端的分解更为方便。(以上写起来挺麻烦,但在实际做题时可以一眼看出来)

四、自己的理解

前面的方程(3),当 变化时,其几何含义是过 交点的一系列二次曲线(不包括 本身)。而当我们求得满足前面行列式的 时,即表示为过 交点的两条直线。因为原来的两条二次曲线最多有四个交点,而由方程(3)得到的行列式是关于 的最高三次的方程,最多可以解出三个 值,恰好对应于过这四个交点的三对直线。换言之,对于满足行列式的 值,方程(3)可能对应于下面的直线 ,也可能对应 ,还可能对应

又,如果前面给出的行列式是关于 的三次方程,则必有一满足行列式的实根。如果所求得的 多于一个解,当然要选择最方便的那个代入到(3)当中去。

参考资料

  1. 《初等代数研究》,季素月等,上海科技教育出版社,1994 年,P181。
  2. 《平面解析几何方法与研究》第 1 卷,刘连璞,哈尔滨工业大学出版社,2015 年,P69。
  3. 《二元二次多项式的因式分解》,陈秀莲,理科考试研究·数学版,2011 年第 8 期,P23。
  4. 《初等函数基本运算及因式分解的方法》,谷学勤,安徽师范大学出版社,2014 年,P122。

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