一元一次方程 :数学中的整式方程、线性方程

更新时间:2024-09-21 08:18

一元一次方程是指只含有一个次数为1的未知数,并且含未知数项的系数不是零的整式方程。常用ax+b=0或ax=b(a≠0)来表示。例如a=1,b=2,则方程为x+2=0。

一元一次方程的历史可以追溯到3000多年前古埃及的莱茵德纸草书,草书中古埃及大祭司用假设法来解此类问题。后代数学家例如花拉子米(Al - Khwarizmi)、婆什迦罗(Bhaskara)、斐波那契(Fibonacci)、程大位等等均用假设法来解方程。直到韦达将符号代数系统化,一元一次方程的解法摆脱了语言描述。1859年,李善兰将此类代数问题命名为一元一次方程。一元一次方程属于线性代数中的一次方程,形式有多种,例如字母方程、分式方程等等。其解法一般可以归类为3种,一般方法、公式法和图像法。

一元一次方程可以解决绝大多数的工程问题、行程问题、分配问题、盈亏问题、积分表问题、电话计费问题、数字问题。也可以解决化学物理中的公式计算,例如压强公式、焦耳公式等等。

定义

基本条件

条件一:它是一个等式;

条件二:等式中只含有一个未知数;

条件三:等式中未知数的最高次数为1;

条件四:等式中未知数的一次项系数不能为0。

相关概念

线性函数

在初级代数与解析几何中,线性函数是只拥有一个变量的一阶多项式函数,又或者是常数函数。在直角坐标系中,线性函数的图象呈直线,例如。当一次函数的值为0时,其对应的的坐标即为一元一次方程的解。

线性方程

线性方程也称一次方程式。指未知数都是一次的方程。其一般的形式是。线性方程的本质是等式两边乘以任何相同的非零数,方程的本质都不受影响。一元一次方程就是以一般一元一次方程

求解历史

3000多年前的古埃及的珍贵文献莱因德纸草书,相传它是阿梅斯抄写,其中有一个用象形文字书写的方程题目:经埃森洛克破译,题意为:“有一堆,其三分之二,其一半,其七分之一及其全部,共为三十七.求一堆之数”。用现代的写法可以表示为:。公元1世纪左右,中国《九章算术》提出负数和移项的概念,使方程实现了化简变形。9世纪时,阿拉伯数学家花拉子米在《对消与还原》中给出了解方程的简单可行的基本方法,即“还原”和“对消”。12世纪,印度数学家婆什迦罗在《丽拉沃蒂》一书中用假设法(设未知数)来解决一类一元一次方程。由于所假设的数可以是任意正数,婆什迦罗称上述方法为“任意数算法”。13世纪,中国的盈不足术传入欧洲意大利数学家斐波那契在《计算之书》中利用单假设和双假设法来解一元一次方程。16世纪时,韦达创立符号代数之后,提出了方程的移项与同除命题,也创立了这一概念,被尊称为“现代毕达哥拉斯”。但是韦达没有接受负数。18世纪时,数学家莱昂哈德·欧拉在《代数基础》中讨论了各类一元一次方程的解法。1859年,中国数学兼翻译家李善兰在《代数学》中将此类线性方程翻译为“一元一次方程”。

方程的性质

基本性质

图像性质

关于x的一元一次方程ax+b=0(a≠0)可以通过一次函数f(x)=ax+b来表示。一元一次方程ax+b=0(a≠0)的根就是它所对应的一次函数f(x)=ax+b函数值为0时,自变量x的值。即一次函数图象与x轴交点的横坐标。例如当a=3,b=3,则f(x)的图像为下图

线性函数的性质

1.在y=kx+b(k,b为常数,k≠0)中,当x增大m时,函数值y则增大km,反之,当x减少m时,函数值y则减少 km。

2.当x=0时,b为一次函数图像与y轴交点的纵坐标,该点的坐标为(0,b)。

3.当b=0时,一次函数变为正比例函数。当然正比例函数为特殊的一次函数。

在两个一次函数表达式中:

当两个一次函数表达式中的k相同,b也相同时,则这两个一次函数的图像重合;

当两个一次函数表达式中的k相同,b不相同时,则这两个一次函数的图像平行;

当两个一次函数表达式中的k不相同,b不相同时,则这两个一次函数的图像相交;

当两个一次函数表达式中的k不相同,b相同时,则这两个一次函数图像交于y轴上的同一点(0,b);

当两个一次函数表达式中的k互为负倒数时,则这两个一次函数图像互相垂直。

求根方法

运算法则

1.方程的各项可以在改变符号以后,由方程的一边移向另一边。

2.方程的边有相同的项时,可以相消。

3.方程的两边如有公约数,可以约去。

4.方程可以去掉分母内不含有未知数的各分数的分母。

一般方法

一般解方程顺序

例如,取何值。

解:由题可知

(去分母)

(移项)

(并项)

(除于29系数化为1)

公式法

推导过程

方程两边除于未知数的系数a)

(移项)

(整理)

举例:

(移项)

(方程两边除于未知数的系数3)

(整理)

图像法

关于x的一元一次方程ax+b=0(a≠0)可以通过做出一次函数f(x)=ax+b来解决。一元一次方程ax+b=0(a≠0)的根就是它所对应的一次函数f(x)=ax+b函数值为0时,自变量x的值。即一次函数图象与x轴交点的横坐标。

举例:3x+3=0,求x的值

设f(x)=3x+3 必经过(0,3),(-1,0)两点。则f(x)图表为

如图得知当f(x)=0时,x=-1

所以3x+3=0 的解为x=-1

衍生概念

字母方程

方程中的已知数用字母表示叫做字母方程

例如:y+y/a=b

ay+y=ab

(a+1)y=ab

y=(a+1)/ab

分式方程

含有分式,并且分式的分母中含有未知数的方程,叫做分式方程。解分式方程,应得先将方程化成整式方程。用含有未知数的代数式去乘方程的两边,得出的解应带入原方程检验,防止增根。(乘值等于0为增根现象,需舍掉)

例如:6/(x+2)-(x+2)/(x-2)+x²/(x²-4)=0

去分式(用x²-4即(x+2)(x-2)乘方程的两边),

6(x-2)-(x+2)²+x²=0,

去括号,6x-12-x²-4x-4+x²=0,

2x=16,

x=8。

经检验当x=8时,x²-4=64-4=60≠0 。

∴x=8 为方程的根。

应用

在物理学中有很多的公式也是可以直接或者间接看作一元一次方程,例如密度公式 ρ = m/ V,比热容的定义公式 c = Q/mΔt等等。而在真正的物理问题中,一个变量随着一个变量变化的例子有很多。例如匀速直线运动的 s = v·t,路程随着时间的变化而做均匀变化;一定弹性限度内的弹簧,弹簧长度随着拉力的增大而不断增加。如已知里程为100km,速度为50km/h,求到达目的地所需的时间。可设时间为t,t=s/v=100/50=2h,即可得知所需时间为2h。

如在生产生活中,通过已知一定的液体密度和压强,通过公式代入解方程,进而计算液体深度的问题。计算大气压强约等于多高的水柱产生的压强,已知大气压约为100000帕斯卡,水的密度约等于1000千克每立方米,g约等于10米每二次方秒(10牛每千克),则可设水柱高度为h米,列方程得1000*10h=100000,解得h=10,即可得知大气压强约等于10米的水柱所产生的压强。

问题示例

《鸡兔同笼》

大约在1500年前,《孙子算经》中就记载了这个有趣的问题。书中是这样叙述的:“今有雉兔同笼,上有三十五头,下有九十四足,问雉兔各几何。”

该问题可用一元一次方程解决,解法如下:

解法:设鸡有x只,兔有35-x只。

由题意得:

解得:x=23。

兔的数量 35-x=12。

答:鸡有23只,兔有12只。

丢番图问题

希腊数学家丢番图的墓碑上记载着:丢番图长眠于此,他的目标多么令人惊讶,它忠实地记录了他生命的轨迹;上帝给予的垂时光占六分之一,又过了十二分之一,须渐渐长出,再过七分之一,点燃起结婚的蜡烛。五年之后弄璋之喜,儿子诞生。可怜迟来的宁馨儿,享年仅及其父之半,便进入冰冷的墓。悲伤只有用数论的研究去弥补,又过了四年,他也走完了人生的旅途。终于告别数学,离开了人世。

根据以上信息,算出:(1)丢番图的寿命;(2)丢番图开始当爸爸时的年龄;(3)儿子死时丢番图的年龄。

解法:设丢番图的寿命x岁;

解的

丢番图开始当爸爸时的年龄:

儿子死时丢番图的年龄:84-4=80

盈不足的问题

九章算术》中所有的一元问题都是通过算术方法求解的,其中最重要的方法就是“盈不足术” 。在盈不足章中有题为“今有共货物,人出八,盈三。人出七,不足四。问:人货各几何”假设有x人,货物为8x-3。则8x-3=7x+4。解得x=7 货物为53。

参考资料

..2023-06-09

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