Chapter 03 · 03

十字相乘法:
用交叉和确定因式

二次三项式 $x^2-7x+12$ 没有公因式,也不符合完整公式。先从首项和常数项推测两个括号,再用一次项检查这两个括号是否正确。

先从一个式子开始

先研究系数为整数,并通过整数因数配对寻找一次因式的情形。对于 $x^2-7x+12$,因为 $x^2=x\cdot x$,两个一次因式的首项都应当是 $x$。

$$x^2-7x+12=(x+\square)(x+\square)$$

先把两个未知常数留成空位。它们的积要恢复常数项 $12$,和要恢复一次项系数 $-7$。

$$(-3)\times(-4)=12,\qquad -3+(-4)=-7$$

$-3$ 与 $-4$ 同时满足积与和的条件,可以填入两个括号。

$$x^2-7x+12=(x-3)(x-4)$$

常数项和一次项都已经对应,两个一次因式随之确定。

把右边乘回去,可以检查这两个因式是否正确:

$$\begin{aligned} (x-3)(x-4) &=x^2-4x-3x+12\\ &=x^2-7x+12. \end{aligned}$$

常数 $-3,-4$ 的积恢复了常数项 $12$,它们的和恢复了一次项系数 $-7$。这就是首项系数为 $1$ 时的十字相乘。

把刚才的观察写成一般形式:

$$\begin{aligned} &(x+m)(x+n)\\ &=x^2+(m+n)x+mn. \end{aligned}$$

分解 $x^2+bx+c$ 时,需要寻找两个整数 $m,n$,使

$$m+n=b,\qquad mn=c.$$

$c>0$ 时两个数同号,$c<0$ 时两个数异号;最后仍要用它们的和检查一次项系数。首项系数为 $1$ 时,首项的拆法已经确定;首项系数不为 $1$ 时,首项也有多种因数配对,需要进一步检查交叉项。

首项系数不为 1

现在分解 $6x^2+11x+3$。二次项可以由 $3x$ 与 $2x$ 相乘得到,常数项可以由 $1$ 与 $3$ 相乘得到,再用交叉项检查它们的排列。

$3x$$1$ $2x$$3$
$3x\times3=9x$ $1\times2x=2x$ $9x+2x=11x$

两条交叉乘积相加正好得到中间项 $11x$,所以这组排列成立:

$$6x^2+11x+3=(3x+1)(2x+3).$$

同一个交叉关系也可以通过拆分中间项写出来。因为 $ac=6\times3=18$,而 $9+2=11$、$9\times2=18$,所以:

$$6x^2+11x+3=6x^2+9x+2x+3$$

把中间项 $11x$ 拆成 $9x+2x$。

$$=3x(2x+3)+(2x+3)$$

两组分别提出公因式,得到相同的括号 $2x+3$。

$$=(3x+1)(2x+3)$$

提出共同括号,恢复出两个一次因式。

拆分中间项和交叉配对使用的是同一个乘法结构。

从例子得到一般关系

前两个例子都在用首项、常数项和交叉项确定因式。把两个一次因式完整展开,就能得到一般的对应关系。

$$(mx+n)(px+q)$$

设二次三项式能够写成这两个一次因式的乘积。

$$mpx^2+mqx+npx+nq$$

使用分配律得到四个乘积,中间两个是交叉项。

$$mpx^2+(mq+np)x+nq$$

合并两个一次项,得到与 $ax^2+bx+c$ 对应的三项。

二次项$mp=a$
一次项$mq+np=b$
常数项$nq=c$

$mp$ 决定二次项,$nq$ 决定常数项,两条交叉乘积 $mq$ 与 $np$ 的和决定一次项。三个位置全部对应,才能写成两个一次因式的乘积。

当 $a\ne1$ 时,两个交叉乘积的和等于 $b$,积等于 $ac$:

$$\begin{aligned} mq+np&=b,\\ (mq)(np)&=(mp)(nq)=ac. \end{aligned}$$

因此可以先寻找两个整数 $r,s$,使 $r+s=b$、$rs=ac$,再用 $rx+sx$ 拆开中间项,通过分组恢复两个一次因式。

例如,把分数系数整理到括号外,再分解括号内的二次三项式:

$$\begin{aligned} \frac12x^2+\frac32x+1 &=\frac12(x^2+3x+2)\\ &=\frac12(x+1)(x+2). \end{aligned}$$

外面的 $\frac12$ 始终保留,乘回去才能恢复原式。

同一个整式反复出现时,可以先把它看成一个字母。令 $T=x+1$:

$$\begin{aligned} &T^2-5T+6=(T-2)(T-3),\\ &(x+1)^2-5(x+1)+6\\ &=(x-1)(x-2). \end{aligned}$$

先按关于 $T$ 的二次三项式完成分解,再把 $T$ 换回原来的整式。

这些整理能够让二次三项式的结构更清楚。十字相乘是否适合继续使用,还要看整数因数配对是否容易完成。

什么时候停止试配

再看 $12x^2+10x-5$。这里 $ac=-60$,要拆分中间项,需要找到积为 $-60$、和为 $10$ 的两个整数。

$60$ 的正因数配对共有六组。两个数异号时,它们的和的绝对值等于这对正因数的差:

$1\times60$$|60-1|=59$不等于 $10$
$2\times30$$|30-2|=28$不等于 $10$
$3\times20$$|20-3|=17$不等于 $10$
$4\times15$$|15-4|=11$不等于 $10$
$5\times12$$|12-5|=7$不等于 $10$
$6\times10$$|10-6|=4$不等于 $10$

这些差中没有 $10$。通过整数因数配对无法拆分中间项,继续逐组试配已经没有意义。它能否分解成有理数或实数系数的一次因式,需要用判别式统一判断。

$$\begin{aligned} a=1:\quad &m+n=b,\quad mn=c;\\ a\ne1:\quad &r+s=b,\quad rs=ac. \end{aligned}$$
1

什么时候使用

已经提出公因式,又不符合完整公式,并且 $ac$ 的整数因数配对较少时,十字相乘通常能快速找到两个一次因式。

2

什么时候换方法

因数配对明显增多、全部整数配对都不符合条件,或者需要判断实数范围内的分解情况时,转向判别式和求根公式。

下一篇继续处理 $12x^2+10x-5$:整数配对已经停止,将通过判别式和求根公式求出对应方程的实数根。