去分母

📘 一元一次方程·
⭐⭐⭐
·最小公倍数、去分母步骤

🎯 学习目标

  • 理解去分母在解一元一次方程中的作用
  • 掌握利用最小公倍数(LCM)正确去分母的方法
  • 能准确、规范地解含有分数系数的一元一次方程

📚 核心概念

在解含有分数的一元一次方程时,为了简化计算,我们通常会“去分母”——即通过等式两边同时乘以所有分母的最小公倍数(LCM),将方程转化为整数系数的形式。这是因为根据等式的性质:如果 a=ba = b,那么对任意非零数 kk,都有 ka=kbka = kb

例如,方程 x2+13=5\frac{x}{2} + \frac{1}{3} = 5 中有两个分母:2 和 3。它们的最小公倍数是 6。我们将方程两边都乘以 6:

6(x2+13)=65 6 \cdot \left( \frac{x}{2} + \frac{1}{3} \right) = 6 \cdot 5

根据乘法分配律,左边变为 6x2+613=3x+26 \cdot \frac{x}{2} + 6 \cdot \frac{1}{3} = 3x + 2,右边为 30,于是得到整数方程 3x+2=303x + 2 = 30,更容易求解。

关键在于:必须将方程中每一项都乘以最小公倍数,包括不含分母的项(如常数项)。否则会导致等式不成立。

📝 关键公式

  • 去分母法则:若方程含多个分数,两边同乘所有分母的最小公倍数(LCM)。

    • 示例:对 x4+25=3\frac{x}{4} + \frac{2}{5} = 3,LCM(4,5)=20,两边×20得 5x+8=605x + 8 = 60
  • 最小公倍数求法:分解质因数后取各因数的最高次幂相乘。

    • 示例:6 和 8 的质因数分别为 2×32 \times 3232^3,LCM = 23×3=242^3 \times 3 = 24

💡 经典例题

例题1(基础):解方程 x3+2=5\frac{x}{3} + 2 = 5

  1. 方程中只有一个分母 3,最小公倍数为 3。
  2. 两边同乘 3:3(x3+2)=353 \cdot \left( \frac{x}{3} + 2 \right) = 3 \cdot 5
  3. 展开:x+6=15x + 6 = 15
  4. 移项:x=156=9x = 15 - 6 = 9
  5. 检验:左边 =93+2=3+2=5== \frac{9}{3} + 2 = 3 + 2 = 5 = 右边,正确。

例题2(进阶):解方程 2x14=x+36\frac{2x - 1}{4} = \frac{x + 3}{6}

  1. 分母为 4 和 6,LCM(4,6) = 12。
  2. 两边同乘 12:122x14=12x+3612 \cdot \frac{2x - 1}{4} = 12 \cdot \frac{x + 3}{6}
  3. 化简:左边 =3(2x1)= 3(2x - 1),右边 =2(x+3)= 2(x + 3)
  4. 去括号:6x3=2x+66x - 3 = 2x + 6
  5. 移项合并:6x2x=6+34x=96x - 2x = 6 + 3 \Rightarrow 4x = 9
  6. 解得:x=94x = \frac{9}{4}
  7. (可选)检验代入原方程验证成立。

⚠️ 易错点

  • 漏乘不含分母的项:比如方程 x2+3=4\frac{x}{2} + 3 = 4,去分母时忘记把 3 和 4 也乘以 2。避免方法:用括号把整个左边和右边括起来再乘。

  • 最小公倍数算错:如认为 4 和 6 的 LCM 是 24(实际是 12)。避免方法:用短除法或分解质因数准确求 LCM。

  • 去分母后忘记加括号:如 2x13\frac{2x - 1}{3} 乘以 6 应得 2(2x1)2(2x - 1),若写成 4x14x - 1 就错了。避免方法:分子是多项式时,乘完后一定要加括号再展开。

  • 约分错误:如 12x+24=3x+212 \cdot \frac{x + 2}{4} = 3x + 2(正确应为 3(x+2)=3x+63(x + 2) = 3x + 6)。避免方法:先整体约分,再分配乘法。

💡 例题

1

f(x)=2{x}1f(x)=|2\{x\}-1|,其中{x}\{x\}表示xx的小数部分。整数nn是满足方程

nf(xf(x))=x nf(xf(x))=x

至少有20122012个实数解的最小正整数。求nn的值?

注:xx的小数部分是指一个实数y={x}y=\{x\},它满足0y<10\le y<1,且xyx-y是整数。

y=f(x)y = f(x)的图象如下所示。

Rendering Diagram...

特别地,对所有x.x.,都有0f(x)10 \le f(x) \le 1。因此,

0nf(xf(x))n, 0 \le nf(xf(x)) \le n,

说明方程nf(xf(x))=xnf(xf(x)) = x的所有实数解都在区间[0,n].[0,n].内。

aa为满足0an1.0 \le a \le n - 1.的整数。假设ax<a+12.a \le x < a + \frac{1}{2}.,则

f(x)=2{x}1=2(xa)1=1+2a2x. f(x) = |2 \{x\} - 1| = |2(x - a) - 1| = 1 + 2a - 2x.

g(x)=xf(x)=x(1+2a2x). g(x) = xf(x) = x(1 + 2a - 2x).

于是,我们要求方程f(g(x))=xn.f(g(x)) = \frac{x}{n}.的解。

a=0,a = 0,,则

g(x)=x(12x), g(x) = x(1 - 2x),

它满足0g(x)180 \le g(x) \le \frac{1}{8}(当0x<12.0 \le x < \frac{1}{2}.时)。于是

f(g(x))=12g(x)=4x22x+1. f(g(x)) = 1 - 2g(x) = 4x^2 - 2x + 1.

可验证:

344x22x+11\frac{3}{4} \le 4x^2 - 2x + 1 \le 1

0x<12.0 \le x < \frac{1}{2}.成立。但xn12,\frac{x}{n} \le \frac{1}{2},,所以此时无解。

否则,a1.a \ge 1.。假设ax<y<a+12.a \le x < y < a + \frac{1}{2}.。我们断言g(x)>g(y).g(x) > g(y).。该不等式等价于

x(1+2a2x)>y(1+2a2y), x(1 + 2a - 2x) > y(1 + 2a - 2y),

,进一步等价于(yx)(2x+2y2a1)>0.(y - x)(2x + 2y - 2a - 1) > 0.。由于2x+2y2a1>2a11,2x + 2y - 2a - 1 > 2a - 1 \ge 1,,断言g(x)>g(y)g(x) > g(y)成立。

这意味着g(x)g(x)在区间ax<a+12,a \le x < a + \frac{1}{2},上严格递减,因此将区间[a,a+12)\left[ a, a + \frac{1}{2} \right)一一对应地映射到区间(0,a].(0,a].。这说明f(g(x))f(g(x))在0与1之间振荡2a2a次,因此直线y=xny = \frac{x}{n}与该图象有2a2a个交点。

2

SS为直角坐标平面上满足下式的点(x,y)(x, y)的集合:

x21+y21=1.\Big|\big| |x|-2\big|-1\Big|+\Big|\big| |y|-2\big|-1\Big|=1.

组成SS的所有线段的总长度是多少?

我们多次用到一个有用结论:对任意实数aabb,方程

xa+yb=1 |x-a|+|y-b|=1

的图像是一个“菱形”——即以(a,b)(a, b)为中心、边长为2\sqrt{2}的正方形,其四边与坐标轴成4545^\circ角。(验证方法:先画出x+y=1|x| + |y| = 1的图像;再将该图像沿xx方向平移aa,再沿yy方向平移bb,就得到xa+yb=1|x-a|+|y-b|=1的图像。)

由于所给方程只含x|x|y|y|,它关于两条坐标轴对称。因此,只需计算第一象限内的图形,再将结果乘以44,即可得到整个平面的总长度。于是假设x,y0x, y \ge 0,原方程变为

x21+y21=1.\Big|\big| x-2\big|-1\Big|+\Big|\big| y-2\big|-1\Big|=1.

。 观察x2|x-2|y2|y-2|,我们按xxyy22的大小关系分情况讨论:

  1. 0x,y20 \le x, y \le 2,则方程化为
(2x)1+(2y)1=1    1x+1y=1.\Big|(2-x)-1\Big|+\Big|(2-y)-1\Big|=1 \implies |1-x| + |1-y| = 1.

,这是以(1,1)(1, 1)为中心的标准菱形,且完全落在区域0x,y20 \le x, y \le 2内; 2. 若0x2y0 \le x \le 2 \le y,则方程化为

(2x)1+(y2)1=1    1x+y3=1.\Big|(2-x)-1\Big|+\Big|(y-2)-1\Big|=1 \implies |1-x| + |y-3| = 1.

,这是以(1,3)(1, 3)为中心的标准菱形,仍落在对应区域内; 3. 若0y2x0 \le y \le 2 \le x,得到以(3,1)(3,1)为中心的标准菱形,同上; 4. 若2x,y2 \le x, y,则方程化为

(x2)1+(y2)1=1    x3+y3=1.\Big|(x-2)-1\Big|+\Big|(y-2)-1\Big|=1 \implies |x-3| + |y-3| = 1.

,这是以(3,3)(3, 3)为中心的标准菱形,也落在区域2x,y2 \le x, y内。 综上,第一象限内的图像由4个标准菱形组成,因此整个平面内的图像共含44=164 \cdot 4 = 16个标准菱形。这些菱形互不重叠,每个周长为424\sqrt{2}

✏️ 练习

1

设函数 ff 将正整数映射到正整数,且满足:

(i) ff 是递增的(即对所有正整数 nn,都有 f(n+1)>f(n)f(n + 1) > f(n));

(ii) 对所有正整数 mmnn,有 f(mn)=f(m)f(n)f(mn) = f(m) f(n)

(iii) 若 mnm \neq nmn=nmm^n = n^m,则 f(m)=nf(m) = nf(n)=mf(n) = m

求所有可能的 f(30)f(30) 的值之和。

2

aabbcc 是三个互不相等的实数,且满足

a3+6a=b3+6b=c3+6c.\frac{a^3 + 6}{a} = \frac{b^3 + 6}{b} = \frac{c^3 + 6}{c}.

a3+b3+c3a^3 + b^3 + c^3 的值。

3

函数 f(x)f(x)0x10 \le x \le 1 上有定义,满足以下性质:

(i) f(0)=0f(0) = 0; (ii) 若 0x<y10 \le x < y \le 1,则 f(x)f(y)f(x) \le f(y); (iii) 对所有 0x10 \le x \le 1,有 f(1x)=1f(x)f(1 - x) = 1 - f(x); (iv) 对所有 0x10 \le x \le 1,有 f(x3)=f(x)2f \left( \frac{x}{3} \right) = \frac{f(x)}{2}

f(27)f \left( \frac{2}{7} \right) 的值。

4

求一个二次多项式p(x)p(x),使得p(3)=10,p(-3) = 10,p(0)=1,p(0) = 1,p(2)=5.p(2) = 5.

5

求多项式x1000x^{1000}除以多项式(x2+1)(x+1).(x^2 + 1)(x + 1).的余数。