1. 分式的乘法
比较下面两个式子:
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:
含字母的分式沿用同样的结构,但必须先满足:
例如:
两个原分母分别含有 $y$ 和 $x^2$,因此原式要求 $x\ne0$、$y\ne0$。
$x\ne0$、$y\ne0$ 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。
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 $\dfrac{2y}{3x}$。
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。
2. 分式的除法
除以一个非零分式,等于乘这个分式的倒数:
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:
$D\ne0$ 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:
例如:
除式不能为 $0$,所以 $x\ne0$。在这个条件下:
结果 $\dfrac56$ 已经看不见 $x$,但 $x\ne0$ 仍然属于原式条件。
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:
分式也是如此。同分母时,可以直接合并分子:
例如:
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:
两个原分母分别是 $x-1$ 和 $x+1$,因此原式要求 $x\ne1$ 且 $x\ne-1$。
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 $(x-1)(x+1)$。
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。
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:
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:
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。
5. 分式的混合运算
看下面的式子:
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。
括号内两个分式的分母都是 $x-1$,所以它们共同要求 $x\ne1$。
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 $x+1\ne0$。
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 $x\ne-1,0,1$。
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。
除以 $\dfrac{x+1}{x}$ 等于乘它的倒数 $\dfrac{x}{x+1}$,因此化简形式为 $\dfrac{x}{x+1}$。
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。
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:
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。