Как раскрыть 4 степень суммы. Формулы сокращенного умножения с примерами. Умножение суммы двух выражений на неполный квадрат их разности

Содержание урока

Квадрат суммы двух выражений

Существует ряд случаев, когда умножение многочлена на многочлен можно значительно упростить. Таковым к примеру является случай (2x + 3y ) 2 .

Выражение (2x + 3y ) 2 это перемножение двух многочленов, каждый из которых равен (2x + 3y )

(2x + 3y ) 2 = (2x + 3y )(2x + 3y )

Получили умножение многочлена на многочлен. Выполним его:

(2x + 3y ) 2 = (2x + 3y )(2x + 3y ) = 4x 2 + 6xy + 6xy + 9y 2 = 4x 2 + 12xy + 9y 2

То есть выражение (2x + 3y ) 2 равно 4x 2 + 12xy + 9y 2

(2x + 3y ) 2 = 4x 2 + 12xy + 9y 2

Решим аналогичный пример, который попроще:

(a + b ) 2

Выражение (a + b ) 2 это перемножение двух многочленов, каждый из которых равен (a + b )

(a + b ) 2 = (a + b )(a + b )

Выполним это умножение:

(a + b ) 2 = (a + b )(a + b ) = a 2 + ab + ab + b 2 = a 2 + 2ab + b 2

То есть выражение (a + b ) 2 равно a 2 + 2ab + b 2

(a + b ) 2 = a 2 + 2ab + b 2

Оказывается, что случай (a + b ) 2 можно распространить для любых a и b . Первый пример, который мы решили, а именно (2x + 3y ) 2 можно решить с помощью тождества (a + b ) 2 = a 2 + 2ab + b 2 . Для этого нужно подставить вместо переменных a и b соответствующие члены из выражение (2x + 3y ) 2 . В данном случае переменной a соответствует член 2x , а переменной b соответствует член 3y

a = 2x

b = 3y

И далее можно воспользоваться тождеством (a + b ) 2 = a 2 + 2ab + b 2 , но вместо переменных a и b нужно подставлять выражения 2x и 3y соответственно:

(2x + 3y ) 2 = (2x ) 2 + 2 × 2x × 3y + (3y ) 2 = 4x 2 + 12xy + 9y 2

Как и в прошлый раз получили многочлен 4x 2 + 12xy + 9y 2 . Решение обычно записывают покороче, выполняя в уме все элементарные преобразования:

(2x + 3y ) 2 = 4x 2 + 12xy + 9y 2

Тождество (a + b ) 2 = a 2 + 2ab + b 2 называют формулой квадрата суммы двух выражений. Эту формулу можно прочитать так:

Квадрат суммы двух выражений равен квадрату первого выражения плюс удвоенное произведение первого выражения на второе плюс квадрат второго выражения.

Рассмотрим выражение (2 + 3) 2 . Его можно вычислить двумя способами: выполнить сложение в скобках и возвести полученный результат в квадрат, либо воспользоваться формулой квадрата суммы двух выражений.

Первый способ:

(2 + 3) 2 = 5 2 = 25

Второй способ:

(2 + 3) 2 = 2 2 + 2 × 2 × 3 + 3 2 = 4 + 12 + 9 = 25

Пример 2 . Преобразовать выражение (5a + 3) 2 в многочлен.

Воспользуемся формулой квадрата суммы двух выражений:

(a + b ) 2 = a 2 + 2ab + b 2

(5a + 3) 2 = (5a ) 2 + 2 × 5a × 3 + 3 2 = 25a 2 + 30a + 9

Значит, (5a + 3) 2 = 25a 2 + 30a + 9.

Попробуем решить данный пример, не пользуясь формулой квадрата суммы. У нас должен получиться тот же результат:

(5a + 3) 2 = (5a + 3)(5a + 3) = 25a 2 + 15a + 15a + 9 = 25a 2 + 30a + 9

Формула квадрата суммы двух выражений имеет геометрический смысл. Мы помним, что для вычисления площади квадрата нужно возвести во вторую степень его сторону.

Например, площадь квадрата со стороной a будет равна a 2 . Если увеличить сторону квадрата на b , то площадь будет равна (a + b ) 2

Рассмотрим следующий рисунок:

Представим, что сторону квадрата, изображённого на данном рисунке увеличили на b . У квадрата все стороны равны. Если его сторону увеличить на b , то остальные стороны тоже увеличатся на b

Получился новый квадрат, который больше предыдущего. Чтобы хорошо увидеть его, достроим отсутствующие стороны:

Чтобы вычислить площадь этого квадрата, можно по отдельности вычислить квадраты и прямоугольники, входящие в него, затем сложить полученные результаты.

Сначала можно вычислить квадрат со стороной a — его площадь будет равна a 2 . Затем можно вычислить прямоугольники со сторонами a и b — они будут равны ab . Затем можно вычислить квадрат со стороной b

В результате получается следующая сумма площадей:

a 2 + ab + ab + b 2

Сумму площадей одинаковых прямоугольников можно заменить на умножение 2ab , которое буквально будет означать «повторить два раза площадь прямоугольника ab» . Алгебраически это получается путём приведения подобных слагаемых ab и ab . В результате получается выражение a 2 + 2ab + b 2 , которое является правой частью формулы квадрата суммы двух выражений:

(a + b ) 2 = a 2 + 2ab + b 2

Квадрат разности двух выражений

Формула квадрата разности двух выражений выглядит следующим образом:

(a − b ) 2 = a 2 − 2ab + b 2

Квадрат разности двух выражений равен квадрату первого выражения минус удвоенное произведение первого выражения на второе плюс квадрат второго выражения.

Формула квадрата разности двух выражений выводится таким же образом, как и формула квадрата суммы двух выражений. Выражение (a − b ) 2 представляет собой произведение двух многочленов, каждый из которых равен (a − b )

(a − b ) 2 = (a − b )(a − b )

Если выполнить это умножение, то получится многочлен a 2 − 2ab + b 2

(a − b ) 2 = (a − b )(a − b ) = a 2 − ab − ab + b 2 = a 2 − 2ab + b 2

Пример 1 . Преобразовать выражение (7x − 5) 2 в многочлен.

Воспользуемся формулой квадрата разности двух выражений:

(a − b ) 2 = a 2 − 2ab + b 2

(7x − 5) 2 = (7x ) 2 − 2 × 7x × 5 + 5 2 = 49x 2 − 70x + 25

Значит, (7x − 5) 2 = 49x 2 + 70x + 25.

Попробуем решить данный пример, не пользуясь формулой квадрата разности. У нас должен получиться тот же результат:

(7x − 5) 2 = (7x − 5) (7x − 5) = 49x 2 − 35x − 35x + 25 = 49x 2 − 70x + 25.

Формула квадрата разности двух выражений тоже имеет геометрический смысл. Если площадь квадрата со стороной a равна a 2 , то площадь квадрата, сторона которого уменьшена на b , будет равна (a − b ) 2

Рассмотрим следующий рисунок:

Представим, что сторону квадрата, изображённого на данном рисунке уменьшили на b . У квадрата все стороны равны. Если одну сторону уменьшить на b , то остальные стороны тоже уменьшатся на b

Получился новый квадрат, который меньше предыдущего. На рисунке он выделен жёлтым. Сторона его равна a − b , поскольку старая сторона a уменьшилась на b . Чтобы вычислить площадь этого квадрата, можно из первоначальной площади квадрата a 2 вычесть площади прямоугольников, которые получились в процессе уменьшения сторон старого квадрата. Покажем эти прямоугольники:

Тогда можно написать следующее выражение: старая площадь a 2 минус площадь ab минус площадь (a − b )b

a 2 − ab − (a − b )b

Раскроем скобки в выражении (a − b )b

a 2 − ab − ab + b 2

Приведем подобные слагаемые:

a 2 − 2ab + b 2

В результате получается выражение a 2 − 2ab + b 2 , которое является правой частью формулы квадрата разности двух выражений:

(a − b ) 2 = a 2 − 2ab + b 2

Формулы квадрата суммы и квадрата разности в общем называют формулами сокращённого умножения . Эти формулы позволяют значительно упростить и ускорить процесс перемножения многочленов.

Ранее мы говорили, что рассматривая член многочлена по отдельности, его нужно рассматривать вместе со знаком, который перед ним располагается.

Но применяя формулы сокращённого умножения, знак исходного многочлена не следует рассматривать в качестве знака самого этого члена.

Например, если дано выражение (5x − 2y ) 2 , и мы хотим воспользоваться формулой (a − b ) 2 = a 2 − 2ab + b 2 , то вместо b нужно подставлять 2y , а не −2y . Это особенность работы с формулами, которую не следует забывать.

(5x − 2y ) 2
a = 5x
b = 2y
(5x − 2y ) 2 = (5x ) 2 − 2 × 5x × 2y + (2y ) 2 = 25x 2 − 20xy + 4y 2

Если подставлять −2y , то это будет означать, что разность в скобках исходного выражения была заменена на сумму:

(5x − 2y ) 2 = (5x + (−2y )) 2

и в таком случае нужно применять не формулу квадрата разности, а формулу квадрата суммы:

(5x + (−2y ) 2
a = 5x
b = −2y
(5x + (−2y )) 2 = (5x ) 2 + 2 × 5x × (−2y ) + (−2y ) 2 = 25x 2 − 20xy + 4y 2

Исключением могут быть выражения вида (x − (−y )) 2 . В данном случае, применяя формулу (a − b ) 2 = a 2 − 2ab + b 2 вместо b следует подставить (−y )

(x − (−y )) 2 = x 2 − 2 × x × (−y ) + (−y ) 2 = x 2 + 2xy + y 2

Но возводя в квадрат выражения вида x − (−y ) , удобнее будет заменять вычитание на сложение x + y . Тогда первоначальное выражение примет вид (x + y ) 2 и можно будет воспользоваться формулой квадрата суммы, а не разности:

(x + y ) 2 = x 2 + 2xy + y 2

Куб суммы и куб разности

Формулы куба суммы двух выражений и куба разности двух выражений выглядят следующим образом:

(a + b ) 3 = a 3 + 3a 2 b + 3ab 2 + b 3

(a − b ) 3 = a 3 − 3a 2 b + 3ab 2 − b 3

Формулу куба суммы двух выражений можно прочитать так:

Куб суммы двух выражений равен кубу первого выражения плюс утроенное произведение квадрата первого выражения на второе плюс утроенное произведение первого выражения на квадрат второго плюс куб второго выражения.

А формулу куба разности двух выражений можно прочитать так:

Куб разности двух выражений равен кубу первого выражения минус утроенное произведение квадрата первого выражения на второе плюс утроенное произведение первого выражения на квадрат второго минус куб второго выражения.

При решении задач желательно знать эти формулы наизусть. Если не запомнили — не беда! Их можно выводить самостоятельно. Мы это уже умеем.

Выведем формулу куба суммы самостоятельно:

(a + b ) 3

Выражение (a + b ) 3 представляет собой произведение из трёх многочленов, каждый из которых равен (a + b )

(a + b ) 3 = (a + b )(a + b )(a + b )

Но выражение (a + b ) 3 также может быть записано как (a + b )(a + b ) 2

(a + b ) 3 = (a + b )(a + b ) 2

При этом сомножитель (a + b ) 2 является квадратом суммы двух выражений. Этот квадрат суммы равен выражению a 2 + 2ab + b 2 .

Тогда (a + b ) 3 можно записать как (a + b )(a 2 + 2ab + b 2) .

(a + b ) 3 = (a + b )(a 2 + 2ab + b 2)

А это есть умножение многочлена на многочлен. Выполним его:

(a + b ) 3 = (a + b )(a 2 + 2ab + b 2) = a 3 + 2a 2 b + ab 2 + a 2 b + 2ab 2 + b 3 = a 3 + 3a 2 b + 3ab 2 + b 3

Аналогично можно вывести формулу куба разности двух выражений:

(a − b ) 3 = (a − b )(a 2 − 2ab + b 2) = a 3 − 2a 2 b + ab 2 − a 2 b + 2ab 2 − b 3 = a 3 − 3a 2 b + 3ab 2 − b 3

Пример 1 . Преобразуйте выражение (x + 1) 3 в многочлен.

(a + b ) 3 = a 3 + 3a 2 b + 3ab 2 + b 3

(x + 1) 3 = x 3 + 3 × x 2 × 1 + 3 × x × 1 2 + 1 3 = x 3 + 3x 2 + 3x + 1

Попробуем решить данный пример, не используя формулу куба суммы двух выражений

(x + 1) 3 = (x + 1)(x + 1)(x + 1) = (x + 1)(x 2 + 2x + 1) = x 3 + 2x 2 + x + x 2 + 2x + 1 = x 3 + 3x 2 + 3x + 1

Пример 2 . Преобразовать выражение (6a 2 + 3b 3) 3 в многочлен.

Воспользуемся формулой куба суммы двух выражений:

(a + b ) 3 = a 3 + 3a 2 b + 3ab 2 + b 3

(6a 2 + 3b 3) 3 = (6a 2) 3 + 3 × (6a 2) 2 × 3b 3 + 3 × 6a 2 × (3b 3) 2 + (3b 3) 3 = 216a 6 + 3 × 36a 4 × 3b 3 + 3 × 6a 2 × 9b 6 + 27b 9

Пример 3 . Преобразовать выражение (n 2 − 3) 3 в многочлен.

(a − b ) = a 3 − 3a 2 b + 3ab 2 − b 3

(n 2 − 3) 3 = (n 2) 3 − 3 × (n 2) 2 × 3 + 3 × n 2 × 3 2 − 3 3 = n 6 − 9n 4 + 27n 2 − 27

Пример 4 . Преобразовать выражение (2x 2 − x 3) 3 в многочлен.

Воспользуемся формулой куба разности двух выражений:

(a − b ) = a 3 − 3a 2 b + 3ab 2 − b 3

(2x 2 − x 3) 3 = (2x 2) 3 − 3 × (2x 2) 2 × x 3 + 3 × 2x 2 × (x 3) 2 − (x 3) 3 =
8x 6 − 3 × 4x 4 × x 3 + 3 × 2x 2 × x 6 − x 9 =
8x 6 − 12x 7 + 6x 8 − x 9

Умножение разности двух выражений на их сумму

Встречаются задачи, в которых требуется умножить разность двух выражений на их сумму. Например:

(a − b )(a + b )

В этом выражении разность двух выражений a и b умножена на сумму этих же двух выражений. Выполним данное умножение:

(a − b )(a + b ) = a 2 + ab − ab − b 2 = a 2 − b 2

То есть выражение (a − b )(a + b ) равно a 2 − b 2

(a − b )(a + b ) = a 2 − b 2

Видим, что при умножении разности двух выражений на их сумму, получается разность квадратов этих выражений.

Произведение разности двух выражений и их суммы равно разности квадратов этих выражений.

Случай (a − b )(a + b ) можно распространить для любых a и b . Проще говоря, если при решении задачи потребуется умножить разность двух выражений на их сумму, то это умножение можно заменить на разность квадратов этих выражений.

Пример 1 . Выполнить умножение (2x − 5)(2x + 5)

В этом примере разность выражений 2x и 5 умножена на сумму этих же выражений. Тогда согласно формуле (a − b )(a + b ) = a 2 − b 2 имеем:

(2x − 5)(2x + 5) = (2x ) 2 − 5 2

Вычислим правую часть, получим 4x 2 − 25

(2x − 5)(2x + 5) = (2x ) 2 − 5 2 = 4x 2 − 25

Попробуем решить данный пример, не пользуясь формулой (a − b )(a + b ) = a 2 − b 2 . У нас получится тот же результат 4x 2 − 25

(2x − 5)(2x + 5) = 4x 2 − 10x + 10x − 25 = 4x 2 − 25

Пример 2 . Выполнить умножение (4x − 5y )(4x + 5y )

(a − b )(a + b ) = a 2 − b 2

(4x − 5y )(4x + 5y ) = (4x ) 2 − (5y ) 2 = 16x 2 − 25y 2

Пример 3 . Выполнить умножение (2a + 3b )(2a − 3b )

Воспользуемся формулой умножения разности двух выражений на их сумму:

(a − b )(a + b ) = a 2 − b 2

(2a + 3b )(2a − 3b ) = (2a ) 2 − (3b ) 2 = 4a 2 − 9b 2

В данном примере сумма членов 2a и 3b располагалась раньше, чем разность этих членов. А в формуле (a − b )(a + b ) = a 2 − b 2 разность располагается раньше.

Нет никакой разницы как располагаются сомножители (a − b ) в (a + b ) в формуле. Они могут быть быть записаны как (a − b )(a + b ) , так и (a + b )(a − b ) . Результат по прежнему будет равен a 2 − b 2 , поскольку от перестановки сомножителей произведение не меняется.

Так и в данном примере сомножители (2a + 3b ) и (2a − 3b ) можно записать как (2a + 3b )(2a − 3b ) , так и (2a − 3b )(2a + 3b ) . Результат всё так же будет равен 4a 2 − 9b 2 .

Пример 3 . Выполнить умножение (7 + 3x )(3x − 7)

Воспользуемся формулой умножения разности двух выражений на их сумму:

(a − b )(a + b ) = a 2 − b 2

(7 + 3x )(3x − 7) = (3x ) 2 − 7 2 = 9x 2 − 49

Пример 4 . Выполнить умножение (x 2 − y 3)(x 2 + y 3)

(a − b )(a + b ) = a 2 − b 2

(x 2 − y 3)(x 2 + y 3) = (x 2) 2 − (y 3) 2 = x 4 − y 6

Пример 5 . Выполнить умножение (−5x − 3y )(5x − 3y )

В выражении (−5x − 3y ) вынесем за скобки −1 , тогда исходное выражение примет следующий вид:

(−5x − 3y )(5x − 3y ) = −1(5x + 3y )(5x − 3y )

Произведение (5x + 3y )(5x − 3y ) заменим на разность квадратов:

(−5x − 3y )(5x − 3y ) = −1(5x + 3y )(5x − 3y ) = −1((5x ) 2 − (3y ) 2)

Разность квадратов была заключена в скобки. Если этого не сделать, то получится, что −1 умножается только на (5x ) 2 . А это приведет к ошибке и изменению значения исходного выражения.

(−5x − 3y )(5x − 3y ) = −1(5x + 3y )(5x − 3y ) = −1((5x ) 2 − (3y ) 2) = −1(25x 2 − 9x 2)

Теперь умножим −1 на выражение в скобках и получим окончательный результат:

(−5x − 3y )(5x − 3y ) = −1(5x + 3y )(5x − 3y ) = −1((5x ) 2 − (3y ) 2) =
−1(25x 2 − 9y 2) = −25x 2 + 9y 2

Умножение разности двух выражений на неполный квадрат их суммы

Встречаются задачи, в которых требуется умножить разность двух выражений на неполный квадрат их суммы. Выглядит это произведение следующим образом:

(a − b )(a 2 + ab + b 2)

Первый многочлен (a − b ) является разностью двух выражений, а второй многочлен (a 2 + ab + b 2) является неполным квадратом суммы этих двух выражений.

Неполный квадрат суммы это многочлен вида a 2 + ab + b 2 . Он похож на обычный квадрат суммы a 2 + 2ab + b 2

Например, выражение 4x 2 + 6xy + 9y 2 является неполным квадратом суммы выражений 2x и 3y .

Действительно, первый член выражения 4x 2 + 6xy + 9y 2 , а именно 4x 2 является квадратом выражения 2x , поскольку (2x ) 2 = 4x 2 . Третий член выражения 4x 2 + 6xy + 9y 2 , а именно 9y 2 является квадратом выражения 3y , поскольку (3y ) 2 = 9y 2 . Член находящийся в середине 6xy , является произведением выражений 2x и 3y.

Итак, умножим разность (a − b ) на неполный квадрат суммы a 2 + ab + b 2

(a − b )(a 2 + ab + b 2) = a (a 2 + ab + b 2) − b (a 2 + ab + b 2) =
a 3 + a 2 b + ab 2 − a 2 b − ab 2 − b 3 = a 3 − b 3

То есть выражение (a − b )(a 2 + ab + b 2) равно a 3 − b 3

(a − b )(a 2 + ab + b 2) = a 3 − b 3

Это тождество называют формулой умножения разности двух выражений на неполный квадрат их суммы. Эту формулу можно прочитать так:

Произведение разности двух выражений и неполного квадрата их суммы равно разности кубов этих выражений.

Пример 1 . Выполнить умножение (2x − 3y )(4x 2 + 6xy + 9y 2)

Первый многочлен (2x − 3y ) это разность двух выражений 2x и 3y . Второй многочлен 4x 2 + 6xy + 9y 2 это неполный квадрат суммы двух выражений 2x и 3y . Это позволяет не приводя длинных вычислений, воспользоваться формулой (a − b )(a 2 + ab + b 2) = a 3 − b 3 . В нашем случае умножение (2x − 3y )(4x 2 + 6xy + 9y 2) можно заменить на разность кубов 2x и 3y

(2x − 3y )(4x 2 + 6xy + 9y 2) = (2x ) 3 − (3y ) 3 = 8x 3 − 27y 3

(a − b )(a 2 + ab + b 2) = a 3 − b 3 . У нас получится тот же результат, но решение станет длиннее:

(2x − 3y )(4x 2 + 6xy + 9y 2) = 2x (4x 2 + 6xy + 9y 2) − 3y (4x 2 + 6xy + 9y 2) =
8x 3 + 12x 2 y + 18xy 2 − 12x 2 y − 18xy 2 − 27y 3 = 8x 3 − 27y 3

Пример 2 . Выполнить умножение (3 − x )(9 + 3x + x 2)

Первый многочлен (3 − x ) является разностью двух выражений, а второй многочлен является неполным квадратом суммы этих двух выражений. Это позволяет воспользоваться формулой (a − b )(a 2 + ab + b 2) = a 3 − b 3

(3 − x )(9 + 3x + x 2) = 3 3 − x 3 = 27 − x 3

Умножение суммы двух выражений на неполный квадрат их разности

Встречаются задачи, в которых требуется умножить сумму двух выражений на неполный квадрат их разности. Выглядит это произведение следующим образом:

(a + b )(a 2 − ab + b 2)

Первый многочлен (a + b (a 2 − ab + b 2) является неполным квадратом разности этих двух выражений.

Неполный квадрат разности это многочлен вида a 2 − ab + b 2 . Он похож на обычный квадрат разности a 2 − 2ab + b 2 за исключением того, что в нём произведение первого и второго выражений не удваивается.

Например, выражение 4x 2 − 6xy + 9y 2 является неполным квадратом разности выражений 2x и 3y .

(2x ) 2 − 2x × 3y + (3y ) 2 = 4x 2 − 6xy + 9y 2

Вернёмся к изначальному примеру. Умножим сумму a + b на неполный квадрат разности a 2 − ab + b 2

(a + b )(a 2 − ab + b 2) = a (a 2 − ab + b 2) + b (a 2 − ab + b 2) =
a 3 − a 2 b + ab 2 + a 2 b − ab 2 + b 3 = a 3 + b 3

То есть выражение (a + b )(a 2 − ab + b 2) равно a 3 + b 3

(a + b )(a 2 − ab + b 2) = a 3 + b 3

Это тождество называют формулой умножения суммы двух выражений на неполный квадрат их разности. Эту формулу можно прочитать так:

Произведение суммы двух выражений и неполного квадрата их разности равно сумме кубов этих выражений.

Пример 1 . Выполнить умножение (2x + 3y )(4x 2 − 6xy + 9y 2)

Первый многочлен (2x + 3y ) это сумма двух выражений 2x и 3y , а второй многочлен 4x 2 − 6xy + 9y 2 это неполный квадрат разности этих выражений. Это позволяет не приводя длинных вычислений, воспользоваться формулой (a + b )(a 2 − ab + b 2) = a 3 + b 3 . В нашем случае умножение (2x + 3y )(4x 2 − 6xy + 9y 2) можно заменить на сумму кубов 2x и 3y

(2x + 3y )(4x 2 − 6xy + 9y 2) = (2x ) 3 + (3y ) 3 = 8x 3 + 27y 3

Попробуем решить этот же пример, не пользуясь формулой (a + b )(a 2 − ab + b 2) = a 3 + b 3 . У нас получится тот же результат, но решение станет длиннее:

(2x + 3y )(4x 2 − 6xy + 9y 2) = 2x (4x 2 − 6xy + 9y 2) + 3y (4x 2 − 6xy + 9y 2) =
8x 3 − 12x 2 y + 18xy 2 + 12x 2 y − 18xy 2 + 27y 3 = 8x 3 + 27y 3

Пример 2 . Выполнить умножение (2x + y )(4x 2 − 2xy + y 2)

Первый многочлен (2x + y ) является суммой двух выражений, а второй многочлен (4x 2 − 2xy + y 2) является неполным квадратом разности этих выражений. Это позволяет воспользоваться формулой (a + b )(a 2 − ab + b 2) = a 3 + b 3

(2x + y )(4x 2 − 2xy + y 2) = (2x ) 3 + y 3 = 8x 3 + y 3

Попробуем решить этот же пример, не пользуясь формулой (a + b )(a 2 − ab + b 2) = a 3 + b 3 . У нас получится тот же результат, но решение станет длиннее:

(2x + y )(4x 2 − 2xy + y 2) = 2x (4x 2 − 2xy + y 2) + y (4x 2 − 2xy + y 2) =
8x 3 − 4x 2 y + 2xy 2 + 4x 2 y − 2xy 2 + y 3 = 8x 3 + y 3

Задания для самостоятельного решения

Понравился урок?
Вступай в нашу новую группу Вконтакте и начни получать уведомления о новых уроках

Выражение (a + b ) 2 - это квадрат суммы чисел a и b . По определению степени выражение (a + b a + b )(a + b ). Следовательно, из квадрата суммы мы можем сделать выводы, что

(a + b ) 2 = (a + b )(a + b ) = a 2 + ab + ab + b 2 = a 2 + 2ab + b 2 ,

т. е. квадрат суммы двух чисел равен квадрату первого числа, плюс удвоенное произведение первого числа на второе, плюс квадрат второго числа.

формула квадрата суммы

(a + b ) 2 = a 2 + 2ab + b 2

Многочлен a 2 + 2ab + b 2 называется разложением квадрата суммы.

Так как a и b обозначают любые числа или выражения, то правило даёт нам возможность сокращённым путём возводить в квадрат любое выражение, которое может быть рассмотрено как сумма двух слагаемых.

Пример. Возвести в квадрат выражение 3x 2 + 2xy .

Решение: чтобы не производить дополнительных преобразований, воспользуемся формулой квадрата суммы. У нас должна получиться сумма квадрата первого числа, удвоенного произведения первого числа на второе и квадрата второго числа:

(3x 2 + 2xy ) 2 = (3x 2) 2 + 2(3x 2 · 2xy ) + (2xy ) 2

Теперь, пользуясь правилами умножения и возведения в степень одночленов , упростим получившееся выражение:

(3x 2) 2 + 2(3x 2 · 2xy ) + (2xy ) 2 = 9x 4 + 12x 3 y + 4x 2 y 2

Квадрат разности

Выражение (a - b ) 2 - это квадрат разности чисел a и b . Выражение (a - b ) 2 представляет собой произведение двух многочленов (a - b )(a - b ). Следовательно, из квадрата разности мы можем сделать выводы, что

(a - b ) 2 = (a - b )(a - b ) = a 2 - ab - ab + b 2 = a 2 - 2ab + b 2 ,

т. е. квадрат разности двух чисел равен квадрату первого числа, минус удвоенное произведение первого числа на второе, плюс квадрат второго числа.

Из правила следует, что общая формула квадрата разности , без промежуточных преобразований, будет выглядеть так:

(a - b ) 2 = a 2 - 2ab + b 2

Многочлен a 2 - 2ab + b 2 называется разложением квадрата разности.

Это правило применяется к сокращённому возведению в квадрат выражений, которые могут быть представлены как разность двух чисел.

Пример. Представьте квадрат разности в виде трёхчлена:

(2a 2 - 5ab 2) 2

Решение: используя формулу квадрата разности, находим:

(2a 2 - 5ab 2) 2 = (2a 2) 2 - 2(2a 2 · 5ab 2) + (5ab 2) 2

Теперь преобразуем выражение в многочлен стандартного вида :

(2a 2) 2 - 2(2a 2 · 5ab 2) + (5ab 2) 2 = 4a 4 - 20a 3 b 2 + 25a 2 b 4

Разность квадратов

Выражение a 2 - b 2 - это разность квадратов чисел a и b . Выражение a 2 - b 2 представляет собой сокращённый способ умножения суммы двух чисел на их разность:

(a + b )(a - b ) = a 2 + ab - ab - b 2 = a 2 - b 2 ,

т. е. произведение суммы двух чисел на их разность равно разности квадратов этих чисел.

Из правила следует, что общая формула разности квадратов выглядит так:

a 2 - b 2 = (a + b )(a - b )

Это правило применяется к сокращённому умножению таких выражений, которые могут быть представлены: одно - как сумма двух чисел, а другое - как разность тех же чисел.

Пример. Преобразуйте произведение в двучлен:

(5a 2 + 3)(5a 2 - 3)

Решение:

(5a 2 + 3)(5a 2 - 3) = (5a 2) 2 - 3 2 = 25a 4 - 9

В примере мы применили формулу разности квадратов справа налево, то есть, нам дана была правая часть формулы, а мы преобразовали её в левую:

(a + b )(a - b ) = a 2 - b 2

На практике все три рассмотренные формулы применяются и слева направо, и справа налево, в зависимости от ситуации.

Будут и задачи для самостоятельного решения, к которым можно посмотреть ответы.

Формулы сокращённого умножения позволяют производить тождественные преобразования выражений - многочленов. С их помощью многочлены можно разложить на множители, а применяя формулы в обратном порядке - представлять произведения двучленов, квадраты и кубы в виде многочленов. Рассмотрим все общепринятые формулы сокращённого умножения, их вывод, распространённые задачи на тождественные преобразования выражений с помощью этих формул, а также домашние задания (ответы к ним открываются по ссылкам).

Квадрат суммы

Формулой квадрата суммы называется равенство

(квадрат суммы двух чисел равен квадрату первого числа плюс удвоенное произведение первого числа на второе плюс квадрат второго числа).

Вместо a и b в эту формулу могут быть подставлены любые числа.

Формула квадрата суммы часто применяется для упрощения вычислений. Например,

С помощью формулы квадрата суммы многочлен можно разложить на множители, а именно, представить в виде произведения двух одинаковых множителей .

Пример 1.

.

Пример 2. Записать в виде многочлена выражение

Решение. По формуле квадрата суммы получаем

Квадрат разности

Формулой квадрата разности называется равенство

(квадрат разности двух чисел равен квадрату первого числа минус удвоенное произведение первого числа на второе плюс квадрат второго числа).

Формула квадрата разности часто применяется для упрощения вычислений. Например,

С помощью формулы квадрата разности многочлен можно разложить на множители, а именно, представить в виде произведения двух одинаковых множителей .

Формула следует из правила умножения многчлена на многочлен:

Пример 5. Записать в виде многочлена выражение

Решение. По формуле квадрата разности получаем

.

Применить формулу сокращённого умножения самостоятельно, а затем посмотреть решение

Выделение полного квадрата

Часто в многочлене второй степени содержится квадрат суммы или разности, но содержится в скрытом виде. Чтобы получить полный квадрат в явном виде, нужно преобразовать многочлен. Для этого, как правило, одно из слагаемых многочлена представляется в виде удвоенного произведения, а затем к многочлену прибавляется и из него вычитается одно и то же число.

Пример 7.

Решение. Этот многочлен можно преобразовать следующим образом:

Здесь мы представили 5x в виде удвоенного произведения 5/2 на x , прибавили к многочлену и вычли из него одно и то же число , далее применили формулу квадрата суммы для двучлена .

Итак, мы доказали равенство

,

равен полному квадрату плюс число .

Пример 8. Рассмотрим многочлен второй степени

Решение. Проведём над ним следующие преобразования:

Здесь мы представили 8x в виде удвоенного произведения x на 4 , прибавили к многочлену и вычли из него одно и то же число 4² , применили формулу квадрата разности для двучлена x − 4 .

Итак, мы доказали равенство

,

показывающее, что многочлен второй степени

равен полному квадрату плюс число −16 .

Применить формулу сокращённого умножения самостоятельно, а затем посмотреть решение

Куб суммы

Формулой куба суммы называется равенство

(куб суммы двух чисел равен кубу первого числа плюс утроенное произведение квадрата первого числа на второе, плюс утроенное произведение первого числа на квадрат второго и плюс куб второго числа).

Формула куба суммы выводится так:

Пример 10. Записать в виде многочлена выражение

Решение. По формуле куба суммы получаем

Применить формулу сокращённого умножения самостоятельно, а затем посмотреть решение

Куб разности

Формулой куба разности называется равенство

(куб разности двух чисел равен кубу первого числа минус утроенное произведение квадрата первого числа на второе, плюс утроенное произведение первого числа на квадрат второго минус куб второго числа).

С помощью формулы куба суммы многочлен можно разложить на множители, а именно, представить в виде произведения трёх одинаковых множителей .

Формула куба разности выводится так:

Пример 12. Записать в виде многочлена выражение

Решение. По формуле куба разности получаем

Применить формулу сокращённого умножения самостоятельно, а затем посмотреть решение

Разность квадратов

Формулой разности квадратов называется равенство

(разность квадратов двух чисел равна произведению суммы эти чисел на их разность).

С помощью формулы куба суммы любой многочлен вида можно разложить на множители.

Доказательство формулы получено с применением правила умножения многочленов:

Пример 14. Записать в виде многочлена произведение

.

Решение. По формуле разности квадратов получаем

Пример 15. Разложить на множители

Решение. Это выражение в явной форме ни под одно тождество не подходит. Но число 16 можно представить в виде степени с основанием 4: 16=4² . Тогда исходное выражение примет иной вид:

,

а это уже формула разности квадратов, и, применив эту формулу, получим

На данном уроке мы познакомимся с формулами квадрата суммы и квадрата разности и выведем их. Формулу квадрата суммы докажем геометрически. Кроме того, решим много различных примеров с применением этих формул.

Рассмотрим формулу квадрата суммы:

Итак, мы вывели формулу квадрата суммы:

Словесно эта формула выражается так: квадрат суммы равен квадрату первого числа плюс удвоенное произведение первого числа на второе плюс квадрат второго числа.

Данную формулу легко представить геометрически.

Рассмотрим квадрат со стороной :

Площадь квадрата.

С другой стороны, этот же квадрат можно представить иначе, разбив сторону на а и b (рис. 1).

Рис. 1. Квадрат

Тогда площадь квадрата можно представить в виде суммы площадей:

Поскольку квадраты были одинаковы, то их площади равны, значит:

Итак, мы доказали геометрически формулу квадрата суммы.

Рассмотрим примеры:

Комментарий: пример решен с применением формулы квадрата суммы.

Выведем формулу квадрата разности:

Итак, мы вывели формулу квадрата разности:

Словесно эта формула выражается так: квадрат разности равен квадрату первого числа минус удвоенное произведение первого числа на второе плюс квадрат второго числа.

Рассмотрим примеры:

Формулы квадрата суммы и квадрата разности могут работать как слева направо, так и справа налево. При использовании слева направо это будут формулы сокращенного умножения, они применяются при вычислении и преобразовании примеров. А при использовании справа налево - формулы разложения на множители.

Рассмотрим примеры, в которых нужно разложить заданный многочлен на множители, применяя формулы квадрата суммы и квадрата разности. Для этого нужно очень внимательно посмотреть на многочлен и определить, как именно его правильно разложить.

Комментарий: для того, чтобы разложить многочлен на множители, нужно определить, что представлено в данном выражении. Итак, мы видим квадрат и квадрат единицы. Теперь нужно найти удвоенное произведение - это . Итак, все необходимые элементы есть, нужно только определить, это квадрат суммы или разности. Перед удвоенным произведением стоит знак плюс, значит, перед нами квадрат суммы.

Формулы сокращённого умножения (ФСУ) нужны для того, чтобы умножать и возводить в степень числа, выражения, в том числе многочлены. То есть, при помощи формул можно работать с числами значительно быстрее и проще. Таким образом можно из сложного уравнения сделать обычное, что упростит задачу.

Таблица с формулами сокращённого умножения

Название	Формула	Как читается
Квадрат суммы		Квадрат первого выражения плюс удвоенного произведение первого и второго выражения, плюс квадрат второго выражения.
Квадрат разности		Квадрат разности двух выражений равен квадрату первого выражения, минус удвоенное произведение первого выражения на второе, плюс квадрат второго выражения.
Куб суммы		Куб разности двух выражений равен кубу первого выражения плюс утроенное произведение первого выражения в квадрате на второе выражение, плюс утроенное произведение первого выражения на второе в квадрате, плюс второе выражение в кубе.
Куб разности		Куб разности двух величин равен первое выражение в кубе минус утроенное произведение первого выражения в квадрате на второе выражение, плюс утроенное произведение первого выражения на второе в квадрате, минус второе выражение в кубе.
Разность квадратов		Разность квадратов первого и второго выражений равен произведению разности двух выражений и их суммы.
Сумма кубов		Произведение суммы двух величин на неполный квадрат разности равно сумме их кубов.
Разность кубов		Произведение разности двух выражений на неполный квадрат суммы равно разности их кубов.

Обратите внимание на первые четыре формулы. Благодаря им можно возводить в квадрат или куб суммы (разности) двух выражений. Что касается пятой формулы, её нужно применять, чтобы вкратце умножить разность или сумму двух выражений.

Две последние формулы (6 и 7) применяются, чтобы умножать суммы обоих выражений на их неполный квадрат разности или суммы.

Вышеперечисленные формулы довольно-таки часто нужны на практике. Именно поэтому их желательно знать наизусть.

Если вам попался пример, разложить многочлен на множители, тогда во многих случаях нужно левую и правую часть переставить местами.

Например, возмём ту же первую формулу:

и левую часть поставим вправо, а правую влево:

Такую же процедуру можно проделывать и с остальными формулами.

Доказательство ФСУ

Остановимся на доказательствах формул сокращённого умножения. Это не сложно. Нужно всего лишь раскрыть скобки. Рассмотрим на первой формуле – квадрат суммы: .

Шаг первый.

Возведём a + b во вторую степень. Для этого степень трогать не будем, а выполним банальное умножение: = x .

Шаг второй. Теперь и выносим за скобки: x + x .

Шаг третий . Раскрываем скобки: x + x + x + x .

Шаг четвёртый . Умножаем, не забывая о знаках: x + x + .

Шаг пятый . Упрощаем выражение: .

Точно так же можно доказать абсолютно любую формулу сокращённого умножения.

Примеры и решения с помощью ФСУ

Как правило, эти семь формул применяются тогда, когда нужно упростить выражение, чтобы решить какое-либо уравнение и даже обычный пример.

Пример 1

Задание

Упростите выражение:

Как видно, к этому примеру подходит первая формула сокращённого умножения – Квадрат суммы.

Решение

Исходя из первой формулы надо пример разложить на множители. Для этого смотрим на формулу и вместо букв подставляем цифры. В нашем случае «а» – это 3x, а «b» – это 5:

Считаем правую часть и записываем результат. У нас получается:

В примере надо умножить всё то, что умножается и сразу получаем ответ:

Конечно же, есть примеры и с дробями. Но, если научитесь решать простые примеры, тогда другие виды вам будут не страшны.

Пример 2

Задание

Упростите выражение

Решение

= – x x + =

Удвоенное произведение этих выражений – , который совпадает с со вторым членом трёхчлена (со знаком «плюс), значит,

Итак, как видно, ничего сложно в примерах нет. Главное, знать формулы, где их можно применять, а где можно обойтись и без них.

Полезные источники

1. Арефьева И. Г., Пирютко О. Н. Алгебра: учебник пособие для 7 класса учреждений общего среднего образования: Минск “Народная Асвета”, 2017 – 304 с.
2. Никольский С. М., Потапов М. К. Алгебра 7 класс: М: 2015 – 287 с.
3. Рубин А. Г., Чулков П. В. Алгебра. 7 класс. М: 2015 – 224 с.

ФСУ – формулы сокращённого умножения по алгебре за 7 класс с примерами обновлено: 22 ноября, 2019 автором: Научные Статьи.Ру