初高中衔接 · Chapter 04 · 第 4 节 / 共七节

根式的四则运算

为什么 $\sqrt2\sqrt3=\sqrt6$,但 $\sqrt2+\sqrt3\ne\sqrt5$?不同运算符号对应不同的代数结构。

01根式乘法

1. 根式的乘法

下面两种写法看起来只换了一个运算符:

$$ \sqrt2\cdot\sqrt3=\sqrt6 $$
$$ \sqrt2+\sqrt3\ne\sqrt5 $$

乘法可以按照乘积结构合并被开方数,加法则只能按照同类项结构合并系数。把两种结构分开,才能避免把乘法规则错误地用到加法中。

根式没有一条适用于所有运算的万能规则。乘除依靠乘积和商的结构,加减依靠同类项的结构。开始计算前,必须先看清运算符号和根式形式。

$$ (\sqrt a\sqrt b)^2 = (\sqrt a)^2(\sqrt b)^2 =ab $$

当 $a\ge0$、$b\ge0$ 时,$\sqrt a$、$\sqrt b$ 都是非负数,它们的乘积也非负。这个乘积的平方等于 $ab$。

$$ \sqrt a\sqrt b=\sqrt{ab},\qquad a\ge0,\ b\ge0 $$

$\sqrt a\sqrt b$ 既是非负数,平方又等于 $ab$,所以它正是 $ab$ 的算术平方根。

例如:

$$ \sqrt8\cdot\sqrt2 = \sqrt{16} =4 $$

根号外的系数仍按普通乘法处理:

$$ 2\sqrt3\cdot3\sqrt2 = 6\sqrt6 $$

公式的条件不能省略。在实数范围内,如果某个被开方数为负,相应的二次根式本身就没有意义,也就不能使用这条乘法规则。

02根式除法

2. 根式的除法

当 $a\ge0$、$b>0$ 时:

$$ \frac{\sqrt a}{\sqrt b} = \sqrt{\frac ab} $$

$b>0$ 同时保证两件事:$\sqrt b$ 有意义,而且 $\sqrt b\ne0$,可以作为分母。

例如:

$$ \frac{\sqrt{12}}{\sqrt3} = \sqrt4 =2 $$

如果只有 $b\ge0$,那么 $b=0$ 仍有可能出现。此时 $\sqrt b=0$,除法没有意义,所以除法条件必须收紧为 $b>0$。

03根式加减

3. 根式的加减

普通代数中:

$$ 2x+3x=5x $$

这里合并的是相同字母项前面的系数。根式加减使用同样的结构:只有化简后根指数相同、被开方数也相同的根式,才能合并系数。

这样的根式称为同类二次根式。例如:

$$ 2\sqrt3+5\sqrt3=7\sqrt3 $$

一般地:

$$ a\sqrt m+b\sqrt m=(a+b)\sqrt m $$

被开方数不同的根式,不能直接合并:

$$ \sqrt2+\sqrt3 $$

已经是最简形式。把它写成 $\sqrt5$ 会改变数值。取平方就能看见差别:

$$ (\sqrt2+\sqrt3)^2 = 5+2\sqrt6 \ne5 $$

所以:

$$ \sqrt2+\sqrt3\ne\sqrt{2+3} $$

乘法可以合并被开方数,是因为平方根的乘积结构成立;加法没有这样的结构,不能照搬乘法规则。

04先化简

4. 加减前的根式化简

$$ \sqrt8+\sqrt{18} $$

$\sqrt8$ 与 $\sqrt{18}$ 表面上被开方数不同,暂时不能直接判断是否同类,需要先分别化简。

$$ \sqrt8=2\sqrt2, \qquad \sqrt{18}=3\sqrt2 $$

$\sqrt8$ 和 $\sqrt{18}$ 分别提取平方因子后,都化为 $\sqrt2$ 的倍数,因此它们是同类二次根式。

$$ \sqrt8+\sqrt{18} = 2\sqrt2+3\sqrt2 =5\sqrt2 $$

两个根式化简后都含有 $\sqrt2$,可以合并系数,得到 $5\sqrt2$。

根式加减时,先把各根式化到最简,再判断是否同类。

05运算律

5. 根式与代数运算律

根式表示实数,所以仍然遵守分配律:

$$ \sqrt2(\sqrt3+1) = \sqrt6+\sqrt2 $$

也可以进入已经学过的乘法公式。例如:

$$ (\sqrt3+\sqrt2)(\sqrt3-\sqrt2) = (\sqrt3)^2-(\sqrt2)^2 =1 $$

平方差公式没有改变,变化的只是公式中的对象从字母或整数变成了根式。

需要注意的是,使用公式前仍要把根式看成完整的整体。不能因为根号中出现加减,就擅自把它拆开。

06混合运算

6. 根式的混合运算

看:

$$ \frac{\sqrt8+\sqrt{18}}{\sqrt2} $$

分母 $\sqrt2$ 非零,所以原式有意义。分子是根式加法,先分别化简:

$$ \sqrt8+\sqrt{18} = 2\sqrt2+3\sqrt2 =5\sqrt2 $$

再进行除法:

$$ \frac{5\sqrt2}{\sqrt2}=5 $$

这个过程没有把加法错误地放进同一个根号,而是先按同类根式结构合并,再按根式除法处理。

如果根式中含有字母,开始前还要先写出每个被开方数非负以及每个分母非零的条件。运算可以改变式子的外形,原式条件仍要保留。

需要带走的判断是:根式运算没有一条万能规则。乘除依靠乘积和商的结构,加减依靠同类项结构;运算符号和表达式形式共同决定下一步应该怎样做。

07核心结论

回到开头的问题

$$\sqrt a\sqrt b=\sqrt{ab},\qquad p\sqrt m+q\sqrt m=(p+q)\sqrt m$$

根式乘除依靠乘积和商的结构,因此可以处理被开方数;根式加减依靠同类项结构,只能合并同类根式前面的系数。运算前先确认根式有意义,加减前先把各根式化到最简。