天平法

代数基础

tiān píng fǎ

天平法是一种解方程的策略:像使用天平一样,对方程两边做相同的操作以保持平衡,直到分离出变量。

Visualization

Definition

天平法借助天平的思想来解方程:对方程一边所做的任何操作,都必须对另一边做完全相同的操作,才能保持平衡。它也被称为等式的性质,系统地运用等式的加法、减法、乘法和除法性质,每一步都由某条具体的性质来支撑,这有助于训练数学推理和证明写作的能力。严格地说,天平法依赖于等式的代入性质(若 $a = b$,则在任何表达式中都可以用 $a$ 替换 $b$),以及"相等"是一种等价关系这一事实:自反性($a = a$)、对称性(若 $a = b$ 则 $b = a$)、传递性(若 $a = b$ 且 $b = c$ 则 $a = c$);用这种方法解方程,本质上是对解集非空这一事实的构造性证明,而且每一步都是一个双条件(充要)关系,意味着最终的解集与原方程的解集完全相同,既不会多出增解,也不会丢失解。

Example

求解 $x + 6 = 10$:想象一架天平,左边是 $x + 6$,右边是 $10$;两边同时减去 $6$,得到 $x + 6 - 6 = 10 - 6$,即 $x = 4$,天平保持平衡。求解 $3x - 5 = 16$:两边同时加 $5$(保持平衡)得到 $3x = 21$,再两边同时除以 $3$(保持平衡)得到 $x = 7$。求解 $ax + b = c$ 的每一步都是一个充要关系:$ax + b = c$ 当且仅当 $ax = c - b$,当且仅当 $x = (c-b)/a$($a \neq 0$ 时)。

Key Insight

天平是理解方程的完美心智模型:如果只在一边增加或去掉东西,天平就会倾斜,但两边同时做相同的操作,天平就能保持水平。两边同时平方并不是一个充要操作,因为它可能引入增解;用加法、减法,或乘以/除以一个非零数的天平法,总能保持解集不变,但平方等非单射运算之后,则需要检验是否产生了增解。