一元一次方程

數學中的整式方程、線性方程

一元一次方程指只含有一個未知數、未知數的最高次數為1且兩邊都為整式的等式。一元一次方程只有一個根。

一元一次方程最早見於約公元前1600年的古埃及時期。公元820年左右,數學家花拉子米在《對消與還原》一書中提出了“合併同類項”、“移項”的一元一次方程思想。16世紀,數學家韋達創立符號代數之後,提出了方程的移項與同除命題。1859年,數學家李善蘭正式將這類等式譯為一元一次方程。

研究歷史


一元一次方程最早見於約公元前1600年的古埃及時期。
一元一次方程
一元一次方程
約公元前1650年,古埃及的萊因德紙草書中記載了第24題,題目為:“一個量,加上它的等於19,求這個量。”解決了形為的一次方程,即單假設法解決問題。
公元前1世紀左右,中國人在《九章算術》中首次加入了負數,並提出了正負數的運演演算法則,解決了移項問題。在“盈不足”一章中提出了盈不足術。但該方法並沒有被用來解決一元一次方程。在11~13世紀時傳入阿拉伯地區,並被稱為“契丹演演算法”。
9世紀,阿拉伯數學家花拉子米在《對消與還原》中給出了解方程的簡單可行的基本方法,即“還原”和“對消”。但沒有採用字母符號。體現了明顯的方程的思想。
12世紀,印度數學家婆什迦羅在《麗拉沃蒂》一書中用假設法(設未知數)來解決一類一元一次方程。由於所假設的數可以是任意正數,婆什迦羅稱上述方法為“任意數演演算法”。
一元一次方程
一元一次方程
13世紀,中國的盈不足術傳入歐洲,義大利數學家斐波那契在《計算之書》中利用單假設和雙假設法來解一元一次方程。
16世紀時,韋達創立符號代數之後,提出了方程的移項與同除命題,也創立了這一概念,被尊稱為“現代數學之父”。但是韋達沒有接受負數。
16世紀時,明代數學家程大位(1533-1606)在《演演算法統宗》一書中也用假設法來解一元一次方程。
1859年,中國數學家李善蘭正式將這類等式譯為一元一次方程。

定義


只含有一個未知數,且未知數的高次數是1,等號兩面都是整式,這樣的方程叫做一元一次方程(linear equation with one unknown)。其一般形式是:
有時也寫作:
可以通過等式性質化簡而成為一元一次方程的整式方程(如)也屬於一元一次方程。一元一次方程是一種線性方程,且只有一個根。

求根方法


一般方法

解一元一次方程有五步,即去分母、去括弧、移項、合併同類項、係數化為1,所有步驟都根據整式和等式的性質進行。
以解方程為例:
去分母,得:
去括弧,得:
移項,得:
合併同類項,得:(常簡寫為“合併,得:”)
係數化為1,得:在一元一次方程中,去分母一步通常乘以各分母的最小公倍數,如果分母為分數,則可化為該一項的其他部分乘以分母上分數的倒數的形式。
以方程為例:
消除分母上的分數,可化簡為:進而得出方程的解。
如果分母上有無理數,則需要先將分母有理化。

求根公式法

基本公式
對於關於x的一元一次方程,其求根公式為:
推導過程
解:移項,得:
係數化為1,得:

圖像法

一元一次方程
一元一次方程
對於關於x的一元一次方程可以通過做出一次函數來解決。一元一次方程的根就是它所對應的一次函數函數值為0時,自變數x的值。即一次函數圖象與x軸交點的橫坐標。
以方程為例:
如圖,作出函數的圖象。
∵函數圖象與x軸交於點
∴原方程的根是

方程應用


基本應用

一元一次方程通常可用於做數學應用題。也可應用於物理、化學的計算,如給出液體密度和壓強,通過公式計算液體深度的問題。

問題舉例

丟番圖問題
希臘數學家丟番圖的墓碑上記載著:他生命的六分之一是幸福的童年;再活了他生命的十二分之一,兩側長起長長的鬍子;他結了婚,又度過了一生的七分之一;再過五年,他有了兒子,感到很幸福;可是兒子只活了他父親全部年齡的一半;兒子死後,他再極度悲痛中度過了四年,也與世長辭了。根據以上信息,算出:(1)丟番圖的壽命;(2)丟番圖開始當爸爸時的年齡;(3)兒子死時丟番圖的年齡。
解法:設丟番圖的壽命x歲;
解得x=84,
∴丟番圖開始當爸爸時的年齡:
兒子死時丟番圖的年齡:84-4=80
雞兔同籠問題
“雞兔同籠問題”是我國古算書《孫子算經》中的數學問題,其內容是:“今有雉(雞)兔同籠,上有三十五頭,下有九十四足。問雉兔各幾何。”譯成現代漢語為:有若干只雞和兔在同個籠子里,從上面數,有三十五個頭;從下面數,有九十四隻腳。籠中各有幾隻雞和兔?
該問題可用一元一次方程解決,解法如下:
解法:設雞有x只,兔有隻
由題意得:
解得:x=23
∴35-x=12
答:雞有23隻,兔有12隻。
有限循環小數化為分數問題
利用一元一次方程可以將一個有限循環小數化為分數,以為例:
設,則
可算出
同時,該方法也可用來證明的問題。

方程意義


一元一次方程可以解決絕大多數的工程問題、行程問題、分配問題、盈虧問題、積分表問題、電話計費問題、數字問題。如果僅使用算術,部分問題解決起來可能異常複雜,難以理解。而一元一次方程模型的建立,將能從實際問題中尋找等量關係,抽象成一元一次方程可解決的數學問題,通過驗證一元一次方程解的合理性,達到解釋和解決生活問題的目的,從一定程度上解決了一部分生產、生活中的問題。