初高中衔接 · Chapter 04 · 第 2 节 / 共七节

分式的四则运算

为什么分式乘法可以直接处理分子、分母,加法却必须先通分?区别来自乘除结构与加减结构。

01分式乘法

1. 分式的乘法

比较下面两个式子:

$$ \frac1x\cdot\frac1y \qquad\text{和}\qquad \frac1x+\frac1y $$

它们都在把两个分式合到一起,但乘法可以直接得到 $\dfrac1{xy}$,加法却不能写成 $\dfrac2{xy}$ 之前就结束,更不能把分子、分母分别相加。

乘法和加法具有不同的运算结构。分式运算要同时处理两件事:根据运算符号选择正确结构,并保留每个原分母产生的限制。

普通分数相乘时,两个除法合在一起:

$$ \frac AB\cdot\frac CD = \frac{AC}{BD} $$

含字母的分式沿用同样的结构,但必须先满足:

$$ B\ne0,\qquad D\ne0 $$

例如:

$$ \frac{3x}{2y}\cdot\frac{4y^2}{9x^2} $$

两个原分母分别含有 $y$ 和 $x^2$,因此原式要求 $x\ne0$、$y\ne0$。

$$ x\ne0,\qquad y\ne0 $$

$x\ne0$、$y\ne0$ 共同保证两个原分式都有意义,后续约分只能在这个范围内进行。

$$ \frac{3x}{2y}\cdot\frac{4y^2}{9x^2} = \frac{12xy^2}{18x^2y} = \frac{2y}{3x} $$

相乘后把分子、分母看成因式乘积,约去非零的共同因子,得到 $\dfrac{2y}{3x}$。

$$ \frac{3x}{2y}\cdot\frac{4y^2}{9x^2} = \frac{2y}{3x},\qquad x\ne0,\ y\ne0 $$

完整结果要同时写出化简形式 $\dfrac{2y}{3x}$ 和原分母产生的条件 $x\ne0$、$y\ne0$。乘法中先观察因子再约分,更容易看清结构。

02分式除法

2. 分式的除法

除以一个非零分式,等于乘这个分式的倒数:

$$ \frac AB\div\frac CD = \frac AB\cdot\frac DC = \frac{AD}{BC} $$

除了原来的两个分母非零,还必须保证除式 $\dfrac CD$ 不等于 $0$。因此需要:

$$ B\ne0,\qquad D\ne0,\qquad C\ne0 $$

$D\ne0$ 保证除式有意义,$C\ne0$ 保证除式不是 $0$,也保证它的倒数有意义。

因此,一个分式不等于 $0$,需要同时满足分子非零、分母非零:

$$ \frac CD\ne0 \Longleftrightarrow C\ne0,\quad D\ne0 $$

例如:

$$ \frac x3\div\frac{2x}{5} $$

除式不能为 $0$,所以 $x\ne0$。在这个条件下:

$$ \frac x3\div\frac{2x}{5} = \frac x3\cdot\frac5{2x} = \frac56 $$

结果 $\dfrac56$ 已经看不见 $x$,但 $x\ne0$ 仍然属于原式条件。

03分式加减

3. 分式的加减

加减法是在合并同一种单位。普通分数 $\dfrac12$ 和 $\dfrac13$ 的单位不同,必须先写成相同分母:

$$ \frac12+\frac13 = \frac36+\frac26 = \frac56 $$

分式也是如此。同分母时,可以直接合并分子:

$$ \frac AC\pm\frac BC = \frac{A\pm B}{C},\qquad C\ne0 $$

例如:

$$ \frac{x+2}{x-1}-\frac3{x-1} = \frac{x-1}{x-1} =1,\qquad x\ne1 $$

虽然最终结果是 $1$,原分母留下的 $x\ne1$ 仍不能删除。

异分母加减时,要先把各分母写成因式乘积,再寻找能够被所有分母整除的最简公分母。

例如:

$$ \frac1{x-1}+\frac1{x+1} $$

两个原分母分别是 $x-1$ 和 $x+1$,因此原式要求 $x\ne1$ 且 $x\ne-1$。

$$ x\ne1,\qquad x\ne-1 $$

这两个条件保证原式有意义。两个分母没有共同因式,最简公分母可以取 $(x-1)(x+1)$。

$$ \begin{aligned} \frac1{x-1}+\frac1{x+1} &=\frac{x+1}{(x-1)(x+1)} +\frac{x-1}{(x-1)(x+1)}\\ &=\frac{2x}{x^2-1} \end{aligned} $$

通分时,分母乘了什么,整个分子也必须乘同一个因子。这样做本质上是在乘一个等于 $1$ 的分式,因此没有改变原分式的值。

04公分母

4. 最简公分母

如果分母是 $x^2-1$ 和 $x-1$,不能只把它们机械相乘。先分解:

$$ x^2-1=(x-1)(x+1) $$

就会发现 $x^2-1$ 已经包含因子 $x-1$,因此最简公分母可以直接取:

$$ (x-1)(x+1) $$

寻找公分母不是比较式子长短,而是检查每个分母需要哪些因子,以及每个因子需要出现多少次。

05混合运算

5. 分式的混合运算

看下面的式子:

$$ \left(\frac{x}{x-1}-\frac1{x-1}\right) \div \frac{x+1}{x} $$

这个混合式同时含有同分母减法和分式除法。开始计算前,要先记录各分母非零以及除式不为 $0$ 的条件。

$$ x\ne1 $$

括号内两个分式的分母都是 $x-1$,所以它们共同要求 $x\ne1$。

$$ x+1\ne0 $$

除式 $\dfrac{x+1}{x}$ 的分母要求 $x\ne0$;除式本身还不能等于 $0$,所以它的分子还需满足 $x+1\ne0$。

$$ x\ne1,\qquad x\ne0,\qquad x\ne-1 $$

由 $x+1\ne0$ 得到 $x\ne-1$。把它与 $x\ne0$、$x\ne1$ 合并,原式的全部条件是 $x\ne-1,0,1$。

$$ \frac{x}{x-1}-\frac1{x-1} = \frac{x-1}{x-1} =1 $$

括号内是同分母减法,合并分子后得到 $\dfrac{x-1}{x-1}=1$。这一变形仍以 $x\ne1$ 为前提。

$$ 1\div\frac{x+1}{x} = 1\cdot\frac{x}{x+1} = \frac{x}{x+1} $$

除以 $\dfrac{x+1}{x}$ 等于乘它的倒数 $\dfrac{x}{x+1}$,因此化简形式为 $\dfrac{x}{x+1}$。

$$ \left(\frac{x}{x-1}-\frac1{x-1}\right) \div \frac{x+1}{x} = \frac{x}{x+1},\qquad x\ne-1,0,1 $$

完整结果必须同时写出化简形式 $\dfrac{x}{x+1}$ 和原式条件 $x\ne-1,0,1$。

化简后的分式自身只会排除 $x=-1$,但原式还排除了 $x=0$ 和 $x=1$。如果只看最后一行的分母,就会把原式不允许的值重新放回来。

06繁分式

6. 繁分式

分子或分母本身还含有分式时,大分数线仍然表示除法。例如:

$$ \frac{\dfrac1x+\dfrac1y}{\dfrac1x-\dfrac1y} $$

大分数线表示一次除法。处理时先分别整理上方和下方,同时记录 $x\ne0$、$y\ne0$ 以及大分数线下方不为 $0$ 的条件。

$$ x\ne0,\qquad y\ne0,\qquad \frac1x-\frac1y\ne0 $$

前两个条件保证小分式有意义,最后一个条件等价于 $x\ne y$。在这些条件下,可以分别通分大分数线的上方和下方。

$$ \frac1x+\frac1y=\frac{x+y}{xy}, \qquad \frac1x-\frac1y=\frac{y-x}{xy} $$

通分后,大分数线的上方为 $\dfrac{x+y}{xy}$,下方为 $\dfrac{y-x}{xy}$,接下来可以把整个繁分式改写为一次除法。

$$ \frac{\dfrac1x+\dfrac1y}{\dfrac1x-\dfrac1y} = \frac{x+y}{xy}\div\frac{y-x}{xy} = \frac{x+y}{y-x} $$

把大分数线改写为除法后,约去共同的非零因子 $xy$,繁分式化为 $\dfrac{x+y}{y-x}$。约分不会删除原式条件。

$$ x\ne0,\qquad y\ne0,\qquad x\ne y $$

完整结论仍需保留 $x\ne0$、$y\ne0$、$x\ne y$。繁分式没有新的运算法则,它只是把通分、除法和条件检查叠在同一个表达式中。

07结构对照

7. 运算结构与原式条件

分式运算要先看运算符号。乘除处理的是因子的乘积,其中除法需要先改写成乘倒数;加减处理的是同一种分数单位,需要先通分。不同运算对应不同结构,并不存在一条必须依次执行的统一流程。

无论采用哪一种运算,原式中的每一个分母以及除式都会产生相应的限制。完成运算、约分和化简以后,这些限制仍要保留在最终结果中。正确结果不仅是一个化简后的式子,还包括这个式子继承的全部原式条件。

08核心结论

回到开头的问题

分式乘法把分子、分母分别组成新的乘积,所以可以直接处理因子;分式加减是在合并同一种分数单位,因此必须先得到共同分母。无论使用哪一种运算,原分母和除式产生的全部限制都要保留到最终结果中。