增根和失根:解方程的逻辑问题

方程的应用,减少了解决算术问题的思维量。有了方程,就不必砍腿去解鸡兔同笼了。列个方程,或是方程组,通过对方程进行代数变换,就可以解出未知量。

不过对方程进行代数变换是要讲逻辑的,不能随便乱变。前几天在 Quora 上看到类似这样的一道题:

已知

( x+frac{1}{x}=2sqrt{5} )  (1)

( {x}^{2}+frac{1}{{x}^{2}} ) (2)

如果直接从方程 (1) 中解出 (x), 再代入 (2) 式,非常麻烦。但是如果对 (1) 式两边平方:

( {x}^{2}+frac{1}{{x}^{2}}+2=20 ) (3)

再两边同减 2, 不难得到

( {x}^{2}+frac{1}{{x}^{2}}=18 ) (4)

那么问题来了:这么搞合理吗?有没有漏解?有人发表了这个简单解法之后,立马就有人质疑,说这样不保险,容易失根或产生增根。比如 ( x=2 ) 这个显然有且只有一解的方程,把它两边平方,反而得到 ( {x}^{2}=4 ), 有两个解。

为什么会这样?两个数相等,它们的平方也应该相等啊,这是毫无疑问的,怎么平白无故多出一个根来?

这是因为,把方程两边平方,不是等价变形。即 ( a=b ) 能推出 ( {a}^{2}={b}^{2} ), ( {a}^{2}={b}^{2} ) 却推不出 ( a=b ). 只有两个方程能相互推出时,它们才互为等价变形,才能说这两个方程本质上是一个方程,解是一样的。解方程的时候,一定要注意这一点。

所以,把 (1) 式两边平方,并不严谨。不过,这也并不意味着,我们就必须把 (x) 解出来。先证明 (1) 式有解,反过来令 ( t={x}^2+frac{1}{{x}^{2}} ), 可得:

( t+2={x}^2+frac{1}{{x}^{2}}+2 )

( t+2={(x+frac{1}{x})}^{2} )

( t+2=20 )

( t = 18 )

这样在逻辑上就没有毛病了。或者先证明 (1) 式有解,两边平方的时候使用推出符号也行。

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