分式有理化

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分式有理化的核心目的是消除分母中的无理数(如根式)或虚数单位 ii,将其转化为一个有理数或实数,以便于简化表达式和后续计算。


1. 分母为单一平方根

形式:ab\frac{a}{\sqrt{b}}

方法:分子分母同乘以 b\sqrt{b}公式

ab=abbb=abb\frac{a}{\sqrt{b}} = \frac{a}{\sqrt{b}} \cdot \frac{\sqrt{b}}{\sqrt{b}} = \frac{a\sqrt{b}}{b}

示例:有理化 35\frac{3}{\sqrt{5}}

35=3555=355\frac{3}{\sqrt{5}} = \frac{3}{\sqrt{5}} \cdot \frac{\sqrt{5}}{\sqrt{5}} = \frac{3\sqrt{5}}{5}

2. 分母为二项根式之和或差

形式:ca±b\frac{c}{\sqrt{a} \pm \sqrt{b}}

方法:利用平方差公式 (x+y)(xy)=x2y2(x+y)(x-y) = x^2 - y^2,分子分母同乘以分母的共轭式。

  • 对于 a+b\sqrt{a} + \sqrt{b},其共轭式为 ab\sqrt{a} - \sqrt{b}
  • 对于 ab\sqrt{a} - \sqrt{b},其共轭式为 a+b\sqrt{a} + \sqrt{b}

公式

ca+b=ca+babab=c(ab)ab\frac{c}{\sqrt{a} + \sqrt{b}} = \frac{c}{\sqrt{a} + \sqrt{b}} \cdot \frac{\sqrt{a} - \sqrt{b}}{\sqrt{a} - \sqrt{b}} = \frac{c(\sqrt{a} - \sqrt{b})}{a - b}
cab=caba+ba+b=c(a+b)ab\frac{c}{\sqrt{a} - \sqrt{b}} = \frac{c}{\sqrt{a} - \sqrt{b}} \cdot \frac{\sqrt{a} + \sqrt{b}}{\sqrt{a} + \sqrt{b}} = \frac{c(\sqrt{a} + \sqrt{b})}{a - b}

示例:有理化 21+3\frac{2}{1 + \sqrt{3}}

21+3=21+31313=2(13)12(3)2=2(13)13=2(13)2=(13)=31\frac{2}{1 + \sqrt{3}} = \frac{2}{1 + \sqrt{3}} \cdot \frac{1 - \sqrt{3}}{1 - \sqrt{3}} = \frac{2(1 - \sqrt{3})}{1^2 - (\sqrt{3})^2} = \frac{2(1 - \sqrt{3})}{1 - 3} = \frac{2(1 - \sqrt{3})}{-2} = -(1 - \sqrt{3}) = \sqrt{3} - 1

3. 分母包含高次根式

形式:abn\frac{a}{\sqrt[n]{b}}

方法:分子分母同乘以 bn1n\sqrt[n]{b^{n-1}},使得分母变为 bb通用公式

abn=abnbn1nbn1n=abn1nb\frac{a}{\sqrt[n]{b}} = \frac{a}{\sqrt[n]{b}} \cdot \frac{\sqrt[n]{b^{n-1}}}{\sqrt[n]{b^{n-1}}} = \frac{a \cdot \sqrt[n]{b^{n-1}}}{b}

示例:有理化 123\frac{1}{\sqrt[3]{2}}

123=123223223=43233=432\frac{1}{\sqrt[3]{2}} = \frac{1}{\sqrt[3]{2}} \cdot \frac{\sqrt[3]{2^2}}{\sqrt[3]{2^2}} = \frac{\sqrt[3]{4}}{\sqrt[3]{2^3}} = \frac{\sqrt[3]{4}}{2}

4. 分母为复数

形式:1a+bi\frac{1}{a + bi},其中 i2=1i^2 = -1

方法:分子分母同乘以分母的共轭复数 abia - bi公式

1a+bi=1a+biabiabi=abia2+b2\frac{1}{a + bi} = \frac{1}{a + bi} \cdot \frac{a - bi}{a - bi} = \frac{a - bi}{a^2 + b^2}

示例:有理化 12+3i\frac{1}{2 + 3i}

12+3i=12+3i23i23i=23i22+32=23i4+9=23i13\frac{1}{2 + 3i} = \frac{1}{2 + 3i} \cdot \frac{2 - 3i}{2 - 3i} = \frac{2 - 3i}{2^2 + 3^2} = \frac{2 - 3i}{4 + 9} = \frac{2 - 3i}{13}

总结

分式有理化的一般步骤是:

  1. 识别分母中的无理部分或虚数部分。
  2. 选择一个能与分母相乘后将其有理化的因子。
  3. 操作,分子和分母同时乘以这个因子。
  4. 化简得到最终结果。

其主要目的在于简化计算、求极限或积分,以及将表达式转为标准形式。