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分母の有理化

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みなさんは分母の有理化をしたことはありますか?
分母の有理化とは12+3=32のように分母に根号を含む式を分母が有理数となるように変形することです。

根号のみで構成された式なら分母の有理化ができますが、それは今回のメインではないので詳しくは書きません。

今回は具体的な式の有理化を考えてみましょう。

まず、1a+bnの有理化を考えます。
これは簡単ですね。
1a+bn=abna2b2n


次に、1a+bn3+cn23の有理化を考えます。
1a+bn3+cn23=p+qn3+rn23
となったとします。
すると、(a+bn3+cn23)(p+qn3+rn23)=1が成り立つので、両辺の1,n3,n23の係数を比較して
{ap+ncq+nbr=1bp+aq+ncr=0cp+bq+ar=0
となります。
行列で表してみましょう。
(ancnbbanccba)(pqr)=(100)
これを使うと(pqr)=(ancnbbanccba)1(100)=1a3+nb3+n2c33nabc(a2nbcnb2ncan2c2nab)
と求められます。
(有名恒等式x3+y3+z33xyz=(x+y+z)(x2+y2+z2xyyzzx)を使ってもいいのですが4次以上のときも使えるのでこの方法にしました)


次は、1a+b+cの有理化を考えます。
これはcについて有理化→bについて有理化→aについて有理化とすれば有理化できます。
1a+b+c=a+bca+bc+2ab=(abc)a+(bca)b+(cab)c2abca2+b2+c22ab2bc2ca
どうでもいいかもしれませんが分母はヘロンの公式を展開した形になっていますね。
同じ方法で1a+b+c+dも有理化ができます。
1a+b+c+d=a+b+cda+b+cd+2ab+2bc+2ca=(a+3bcd)a+(3a+bcd)b+(ab+cd)c+(abc+d)d2abc2abd+2acd+2bcda2+b2+c2+d2+4ab2ac2bc2ad2bd2cd+4(a+bcd)ab=(a3b3c3d3a2ba2ca2d+3ab2+3ac2+3ad2+b2c+bc2+b2d+bd2+c2d+cd2+2abc+2abd+2acd10bcd)a+(a3+b3c3d3ab2b2cb2d+3a2b+3bc2+3bd2+a2c+ac2+a2d+ad2+c2d+cd2+2abc+2abd10acd+2bcd)b+(a3b3+c3d3ac2bc2c2d+3a2c+3b2c+3cd2+a2b+ab2+a2d+ad2+b2d+bd2+2abc10abd+2acd+2bcd)c+(a3b3c3+d3ad2bd2cd2+3a2d+3b2d+3c2d+a2b+ab2+a2c+ac2+b2c+bc210abc+2abd+2acd+2bcd)d+2(3a2+b2+c2+d2+2ab+2ac+2ad2bc2bd2cd)bcd+2(a23b2+c2+d2+2ab+2bc+2bd2ac2ad2cd)acd+2(a2+b23c2+d2+2ac+2bc+2cd2ab2ad2bd)abd+2(a2+b2+c23d2+2ad+2bd+2cd2ab2ac2bc)abca4+b4+c4+d44(a3b+ab3+a3c+ac3+b3c+bc3+a3d+ad3+b3d+bd3+c3d+cd3)+6(a2b2+a2c2+b2c2+a2d2+b2d2+c2d2)+4(a2bc+a2bd+a2cd+ab2c+ab2d+b2cd+abc2+ac2d+bc2d+abd2+acd2+bcd2)40abcd
特に意味はないです。


次に1a3+b3+c3の有理化を考えてみます。
1a3+b3+c3=a23+b23+c23ab3bc3ca3a+b+c3abc3=(a2+b2+c2+2ab7bc+2ca)a2+(a2+b2+c2+2ab+2bc7ca)b2+(a2+b2+c27ab+2bc+2ca)c2+3(ab+2c)a2b2c3+3(a+2bc)a2bc23+3(2abc)ab2c23a3+b3+c3+3a2b+3ab2+3b2c+3bc2+3c2a+3ca221abc
対称式を計算すると心が落ち着きますね。

投稿日:202111
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tria_math
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