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与我们上面举出的两个一次方程式相比,求解这个方程式显然要棘手得多。我们怎么才能把这个方程中的x孤立出来,从而求得它的值呢?上面使用的移项技巧以及方程式两边同时乘以(或除以)一个常数的方法在这里显然不够用,因为顾得了x就顾不了x2,即使你把这两者之中的x孤立出来,另一个必然还会在那里碍手碍脚。比如,我们可以把方程式的两边同时除以10,这样10x就被简化成了x,但是,我们也会随之得到一个非常讨厌的x2/10,方程式还是没有解出来。总的来说,这个问题的难点是,我们需要同时做两件事情,而这两件事情看起来又似乎互不相容。
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那么,花剌子模是怎么解决这类问题的呢?他的解法值得我们好好分析一下:一是因为他给出的解法非常简洁明了,二是因为他的解法极为强大——这种解法可以一步到位,解出任何二次方程式的根。也就是说,你可以把上述方程式中的10和39换成其他任何数字,这个方法仍然有效!
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这个方法就是:用几何意义来诠释二次方程式中的每一项。首先考虑x2的值,它的几何意义是一个x乘以x的正方形的面积,如下图所示:
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类似的,第二项10x的几何意义是一个10乘以x的长方形的面积。花剌子模进一步巧妙地把这个10乘以x的长方形一分为二,表示为两个5乘以x的长方形(这一步的妙处我们在下面自然会看到,这是“配方法”的基础)。
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下面,我们把两个长方形和先前的正方形拼到一起,形成一个有缺口的形状,这个图形的面积就是x2+10x。
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现在,花剌子模把求解方程式的问题几何化了,问题就变成:如果上述形状的面积为39个单位,那么x应该是多少呢?
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上面这幅图已经给出了十分清楚的提示,既然这个形状缺了一角,为什么我们不把它补全呢?补出这个小正方形之后,我们就得到了一个完美的大正方形。这说明什么呢?仔细看看下图。
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补足的这个小正方形的面积是5×5=25,也就是说,左图大正方形的面积是x2+10x+25,因为这个图形现在是边长为(x+5)的一个正方形。
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通过这几步简单的处理,原来互相冲突的x2和10x,如今却携起了手,变成了一个简洁且容易处理的(x+5)2。这种“配方法”使得求根问题变得十分简单。
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别忘了,在刚才的处理过程中,我们在方程式x2+10x=39的左边加上了25(即补足的小正方形的面积),为了让方程式仍然成立,显然在方程式的右边也应该加上25。因为39+25=64,处理过后的方程式就变成:
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(x+5)2=64
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这真是太简单了,只要方程式两边同时开平方,我们就得到了x+5=8,随后可以轻松地解出x=3。
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很显然,x=3正是方程x2+10x=39的解。3的平方是9,10×3=30,9+30正好等于39。简单的代入验算明确无误地告诉我们,我们的解是完全正确的。
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x=3是花剌子模给出的这个方程式的解。细心的读者可能已经发现,如果花剌子模参加现代的代数考试,那么这道题他只能得到一半的分数。花剌子模漏掉了方程的另一个解,也就是x=–13。我们可以把x=–13代入上述方程式,–13的平方数为169,–13的10倍为–130,169加上–130正好是39,显然–13也是这个方程式的解。在花剌子模的算法里,这个负数解被忽略了,从几何意义上来说,边长为–13的正方形并不存在,这可以说是古代代数的局限性。如今,代数已经不再那么依赖于几何,所以二次方程式的正数解和负数解都得到了认可。
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在花剌子模之后的几个世纪中,数学家们逐渐认识到,只要接受负数解和负数的平方根(这个概念之前的章节中已有讨论),任何二次方程式都可以用上述的“配方法”求解。
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对任意一个二次方程式ax2+bx+c=0(其中a、b、c为任意已知数,x为未知数)来说,求根公式可以表示为:
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