02-2 立方相关公式 · 01

和的立方公式:
公式推导与几何解析

本节先从代数运算推出 $(a+b)^{3}$ 的标准展开式,再用立方体的体积解释这个公式。

公式推导

立方表示三个相同因式相乘。运算时先处理前两个括号,再把结果与第三个括号相乘:

$$(a+b)^{3} = (a+b)(a+b)(a+b)$$

先把立方写成三个相同因式相乘,这是展开运算的起点。

$$= (a^{2} + 2ab + b^{2})(a+b)$$

然后用完全平方公式展开前两个括号,并保留第三个括号。

$$= a^{2}(a+b) + 2ab(a+b) + b^{2}(a+b)$$

接着使用乘法分配律,让 $a^{2}$、$2ab$、$b^{2}$ 分别乘第三个括号。

$$= a^{3} + a^{2}b + 2a^{2}b + 2ab^{2} + ab^{2} + b^{3}$$

把三个乘积分别展开,得到六项;同类项留到下一步合并。

$$= a^{3} + 3a^{2}b + 3ab^{2} + b^{3}$$

最后合并同类项:$a^{2}b+2a^{2}b=3a^{2}b$,$2ab^{2}+ab^{2}=3ab^{2}$。

通过以上代数运算,可以得到和的立方展开式。下面从几何体积的角度说明这一公式的结构来源。

几何解析

当 $a>0$、$b>0$ 时,可以把 $a$ 和 $b$ 看作两段长度。长、宽、高都为 $a+b$ 的立方体,体积就是 $(a+b)^{3}$。分别在长度、宽度和高度方向的 $a$ 与 $b$ 分界处切开,就会得到 $8$ 个体积块。

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1整体体积

先看边长为 $a+b$ 的整体立方体

当长、宽、高都等于 $a+b$ 时,整体体积就是三个 $a+b$ 相乘。

$\begin{aligned} (a+b)^{3} = (a+b) \times (a+b) \times (a+b) \end{aligned}$
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2三边分割

在长、宽、高三条边上标出 $a$ 与 $b$

每条边都由 $a$ 和 $b$ 两段组成。先看清三条边上的分界,再观察体积怎样被分成几块。

$\begin{aligned} \text{长:}a+b = a | b \end{aligned}$ $\begin{aligned} \text{宽:}a+b = a | b \end{aligned}$ $\begin{aligned} \text{高:}a+b = a | b \end{aligned}$
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3.1第一刀

先沿长度方向切开

第一刀在长度方向的 $a$ 与 $b$ 分界处切开,整个立方体先被分成 $2$ 个体积块,并沿切口稍微分开。

长方向:a 或 b $\begin{aligned} 1 \times 2 = 2 \end{aligned}$
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3.2第二刀

再沿宽度方向切开

第二刀在宽度方向的 $a$ 与 $b$ 分界处切开。两个方向各分成两段,于是形成 $4$ 个体积块。

长方向:a 或 b 宽方向:a 或 b $\begin{aligned} 2 \times 2 = 4 \end{aligned}$
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3.3第三刀

最后沿高度方向切开

第三刀在高度方向的 $a$ 与 $b$ 分界处切开。此时三个方向都已完成切分,得到了八个体积块。

长方向:a 或 b 宽方向:a 或 b 高方向:a 或 b
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4八个体积块

这样就得到八个小长方体

每个小长方体的长、宽、高都从 $a$ 或 $b$ 中选出。三个方向合起来共有 $\begin{aligned} 2\times2\times2 \end{aligned}$ 种组合。

$\begin{aligned} 2 \times 2 \times 2 = 8 \end{aligned}$
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5同类体积分组

按体积类型对八个体积块分类计数

$a^{3}$ 有 1 个,$a^{2}b$ 有 3 个,$ab^{2}$ 有 3 个,$b^{3}$ 有 1 个,数量正好形成 $1,3,3,1$。

$a^{3}$1 个
$a^{2}b$3 个
$ab^{2}$3 个
$b^{3}$1 个
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6回到公式

把八个体积块分类排列,再读出公式

把同类体积块分类排列,就能数出 $1,3,3,1$。四组体积相加,就得到和的立方展开式。

$(a+b)^{3} = a^{3} + 3a^{2}b + 3ab^{2} + b^{3}$

核心结论

$(a+b)^{3} =$ $\class{term-a3}{a^3}+\class{term-a2b}{3a^2b}+\class{term-ab2}{3ab^2}+\class{term-b3}{b^3}$
1

从代数运算看

$(a+b)^{3}$ 由三个 $a+b$ 相乘展开,再合并同类项。

2

从体积切分看

$8$ 个体积块按同类分组,中间两类各有 $3$ 个,因此得到 $3a^{2}b$ 和 $3ab^{2}$。