平方根

算术

píng fāng gēn

一个数的平方根是与自身相乘能得到该数的那个值。

Formula

\sqrt{n} = x \text{ means } x^2 = n \ (x \ge 0)
Visualization

Definition

一个数的平方根是与自身相乘能得到该数的那个数,用根号表示。形式上,$n \ge 0$ 的主平方根是满足 $x^2 = n$ 的非负实数 $x$,记作 $\sqrt{n}$ 或 $n^{1/2}$;非完全平方数的正整数的平方根是无理数,且对 $a,b \ge 0$ 有 $\sqrt{ab} = \sqrt{a} \times \sqrt{b}$,$\sqrt{a/b} = \sqrt{a}/\sqrt{b}$。作为一个函数,$\sqrt{\cdot}: [0,\infty) \to [0,\infty)$ 是连续、严格递增且凹的,满足 $\frac{d}{dx}(\sqrt{x}) = \frac{1}{2\sqrt{x}}$;在复数域中,每个非零的 $z$ 都有两个平方根,$\sqrt{|z|}\, e^{i\arg(z)/2}$ 及其相反数,其中主根取 $\arg(z)$ 在 $(-\pi, \pi]$ 范围内的值。

Example

$\sqrt{25} = 5$,因为 $5 \times 5 = 25$;$\sqrt{9} = 3$;$\sqrt{100} = 10$。化简 $\sqrt{72}$:$72 = 36 \times 2 = 6^2 \times 2$,所以 $\sqrt{72} = 6\sqrt{2} \approx 8.485$,并注意 $\sqrt{(-3)^2} = \sqrt{9} = 3 = |-3|$,而不是 $-3$。牛顿法通过 $x_{n+1} = (x_n + a/x_n)/2$ 来逼近 $\sqrt{a}$:对 $\sqrt{2}$ 从 $x_0=1$ 开始,得到 $x_1=1.5$,$x_2=1.4167$,$x_3=1.41422$,以平方收敛的速度逼近。

Key Insight

求平方根是平方运算的逆运算:如果平方是在构建一个正方形,那么平方根就是在告诉你这个正方形的边长。$\sqrt{x^2} = |x|$,而不是 $x$,因为平方根总是非负的,即使 $x$ 本身可能是负数。$\sqrt{2}$ 的无理性由毕达哥拉斯学派证明,这是数学史上最早的危机之一,粉碎了"一切量都能表示为整数之比"这一信念,并推动了实数系统的发展。