初高中衔接 · Chapter 04 · 第 5 节 / 共七节

分母有理化

怎样改变 $\dfrac1{\sqrt3}$ 的分母,又不改变整个分式的值?分母有理化的依据是乘以一个等于 $1$ 的分式。

01等值变形

1. 乘以 $1$ 的等值变形

看下面这个分式:

关键不是背诵“上下同乘根号”,而是找到一个等于 $1$ 的分式。分子、分母同时乘同一个非零式子,整个分式的值不变;选择什么式子,则由分母的结构决定。

$$ \frac1{\sqrt3} $$

这个分式的分母含有根号。有理化的目标是在保持分式值不变的前提下,把分母改写成不含根号的形式。

$$ \frac{\sqrt3}{\sqrt3}=1 $$

因为 $\sqrt3\ne0$,分子、分母又是同一个数,所以 $\dfrac{\sqrt3}{\sqrt3}=1$。

$$ \frac1{\sqrt3} = \frac1{\sqrt3}\cdot\frac{\sqrt3}{\sqrt3} = \frac{\sqrt3}{3} $$

原式乘以等于 $1$ 的 $\dfrac{\sqrt3}{\sqrt3}$ 后,分母中的 $\sqrt3\cdot\sqrt3$ 变成 $3$,于是得到 $\dfrac{\sqrt3}{3}$。分式的值没有改变,分母也不再含根号。

分母有理化的本质是:选择一个合适的非零式子,使分母经过乘法后变成不含根号的式子,同时让整个分式只乘以 $1$。

02单根式

2. 单个根式分母

对于 $B>0$,$\sqrt B$ 有意义且非零,因此:

$$ \frac{A}{\sqrt B} = \frac{A}{\sqrt B}\cdot\frac{\sqrt B}{\sqrt B} = \frac{A\sqrt B}{B} $$

这里乘 $\sqrt B$ 是因为:

$$ \sqrt B\cdot\sqrt B=B $$

例如:

$$ \sqrt{\frac12} = \frac1{\sqrt2} = \frac{\sqrt2}{2} $$

现在被开方数中不再含分母,最终分母中也没有根号。

如果分母是 $k\sqrt B$,其中 $k\ne0$、$B>0$,通常只需乘以 $\sqrt B$,不必机械地把整个分母再乘一次。

03共轭式

3. 两项和差与共轭式

如果分母是 $\sqrt5-2$,只乘 $\sqrt5$ 并不能消去整个分母中的根号。这里需要利用平方差公式:

$$ (u-v)(u+v)=u^2-v^2 $$

$u-v$ 与 $u+v$ 是一对共轭式。展开乘积时,$uv$ 与 $-uv$ 相互抵消,因此只剩 $u^2-v^2$。

$$ \frac1{\sqrt5-2} $$

分母是 $\sqrt5-2$,选择共轭式 $\sqrt5+2$,就能把两者的乘积化为平方差 $5-4$。

$$ \frac{\sqrt5+2}{\sqrt5+2} $$

由于 $\sqrt5+2>0$,分子、分母相同且都不为零,所以这个分式等于 $1$。

$$ \begin{aligned} \frac1{\sqrt5-2} &=\frac1{\sqrt5-2}\cdot \frac{\sqrt5+2}{\sqrt5+2}\\ &=\frac{\sqrt5+2}{(\sqrt5)^2-2^2}\\ &=\sqrt5+2 \end{aligned} $$

原式乘以等于 $1$ 的共轭分式后,分母按平方差化为 $(\sqrt5)^2-2^2=5-4=1$,因此结果只剩 $\sqrt5+2$。

同样地:

$$ \frac1{\sqrt3+\sqrt2} = \frac{\sqrt3-\sqrt2}{3-2} = \sqrt3-\sqrt2 $$

共轭式不是一个孤立技巧,它只是平方差公式在根式分母中的使用。

04非零条件

4. 所乘式的非零条件

分子、分母同乘一个式子时,这个式子必须非零,否则得到的不是乘以 $1$。

例如,分母是:

$$ \sqrt2+\sqrt2 $$

它形式上是两项和,但对应的“共轭式” $\sqrt2-\sqrt2$ 等于 $0$,不能用:

$$ \frac{\sqrt2-\sqrt2}{\sqrt2-\sqrt2} $$

因为这是 $\dfrac00$,不是 $1$。

正确做法是先合并同类根式:

$$ \sqrt2+\sqrt2=2\sqrt2 $$

再按单个根式分母处理:

$$ \frac1{2\sqrt2} = \frac{\sqrt2}{4} $$

这说明“看到两项就乘共轭”并不是可靠方法。必须先化简并判断结构,再确认所乘的式子非零。

05字母条件

5. 含字母分母的原式条件

看:

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

原式首先要求根式有意义:

$$ x\ge0 $$

整个分母还不能为 $0$:

$$ \sqrt x-1\ne0 $$

也就是:

$$ x\ne1 $$

在这些条件下,共轭式 $\sqrt x+1$ 始终大于 $0$,可以作为非零乘数:

$$ \frac1{\sqrt x-1} = \frac{\sqrt x+1}{x-1},\qquad x\ge0,\ x\ne1 $$

有理化以后,新的分母 $x-1$ 仍能排除 $x=1$。即使某些变形使原来的限制不再明显,也必须把原式条件保留下来。

06核心结论

回到开头的问题

$$\frac1{\sqrt3}=\frac1{\sqrt3}\cdot\frac{\sqrt3}{\sqrt3}=\frac{\sqrt3}{3}$$

分母有理化是在非零条件下乘以一个等于 $1$ 的分式。单个根式分母通常乘相应根式,两项和差根据平方差选择非零共轭式;分母结构决定乘什么,非零条件保证分式的值不变。