Разложение на множители: комбинирование способов
Вы знаете четыре способа разложить многочлен на множители: вынесение общего множителя за скобки, способ группировки, полный квадрат из урока «Разложение на множители с помощью квадрата суммы и квадрата разности» и разность квадратов из урока «Разность квадратов». Часто одного способа мало: после первого шага в скобках остается выражение, которое снова раскладывается. В уроке о разности квадратов вы уже раскладывали так $x^4-16$ — в два шага по одной формуле. Теперь научимся сочетать разные способы.
Разберем, как доводить разложение до конца, с чего начинать и как проверять ответ числом. А еще ответим на вопрос: делится ли $2026^3-2026$ на $6$? Калькулятор не понадобится — ответ найдем в последнем разделе.
Разложить до конца: дерево разложения
Вспомним, как раскладывают на простые множители число $360$. Сначала $360 = 10 \cdot 36$. Число $10$ раскладывается дальше: $10 = 2 \cdot 5$. Число $36$ тоже: $36 = 6 \cdot 6$, а каждое $6 = 2 \cdot 3$. Остановиться можно, когда все множители простые: $360 = 2^3 \cdot 3^2 \cdot 5$. Если записать шаги веточками, получится дерево разложения.
Многочлен раскладывают так же. Возьмем $2x^3-18x$. У членов есть общий множитель $2x$: $2x^3-18x = 2x(x^2-9)$. В скобках осталась разность квадратов: $x^2-9 = (x-3)(x+3)$. Получаем:
$$2x^3-18x = 2x(x-3)(x+3)$$
На рисунке видно, что дерево растет, пока у ветки есть что раскладывать. Множители $x-3$ и $x + 3$ — двучлены с переменной в первой степени, ни один изученный способ их не разложит. Это листья дерева. Одночлен $2x$ тоже лист: он уже записан как произведение $2 \cdot x$, и в ответе его оставляют как есть.
Определение
Разложить многочлен на множители до конца — значит продолжать разложение, пока ни один из множителей нельзя разложить изученными способами: вынесением общего множителя, группировкой, по формулам квадрата суммы, квадрата разности и разности квадратов. Общий числовой множитель из скобок выносят вперед: пишут $9(x-2)(x+2)$, а не $(3x-6)(3x+6)$.
Пример
Разложите на множители $5a^2b-20b^3$.
- Общий множитель: $5b$. Получаем $5b(a^2-4b^2)$.
- В скобках разность квадратов: $a^2-4b^2 = a^2-(2b)^2 = (a-2b)(a+2b)$.
- Множители $a-2b$ и $a + 2b$ дальше не раскладываются.
$$5a^2b-20b^3 = 5b(a-2b)(a+2b)$$
Важно
Проверка числом. Подставьте одно и то же число в исходный многочлен и в ответ. Для $2x^3-18x$ при $x = 2$: слева $2 \cdot 8-36 = -20$, справа $2 \cdot 2 \cdot (2-3) \cdot (2+3) = 4 \cdot (-1) \cdot 5 = -20$. Значения совпали. Если бы они различались, в разложении точно была бы ошибка. Совпадение еще не доказывает, что ответ верный, но ошибку обычно выдает. Берите числа вроде $2$, $3$ или $-1$: при $x = 0$ и $x = 1$ многие ошибки не видны. И помните: закончено ли разложение, проверка числом не покажет — $2x(x^2-9)$ дает те же значения. Смотрите на каждый лист.
С чего начать: маршрут разложения
В каждом узле дерева можно выбрать разные способы, и от выбора зависит длина пути. Сравним деревья для $9x^2-36$.
Ошибка
Сразу применяют формулу: $9x^2-36 = (3x)^2-6^2 = (3x-6)(3x+6)$. Раскроем скобки: $9x^2 + 18x-18x-36 = 9x^2-36$ — равенство верное. Но разложение не закончено: в каждой скобке есть общий множитель $3$, то есть $(3x-6)(3x+6) = 3(x-2) \cdot 3(x+2) = 9(x-2)(x+2)$.
Если начать с общего множителя, путь короче: $9x^2-36 = 9(x^2-4) = 9(x-2)(x+2)$.
Поэтому общий множитель выносят первым: после него в скобках остаются меньшие числа и формулу легче увидеть. Порядок шагов удобно запомнить как маршрут разложения.
Алгоритм
- Вынесите общий множитель, если он есть. Если первый член со знаком «минус», удобно вынести и «минус».
- Посчитайте члены в скобке. Два члена — проверьте разность квадратов. Три — полный квадрат. Четыре и больше — попробуйте группировку: по два или по три члена.
- Каждый новый множитель проверьте снова, начиная с шага 1: в нем тоже может оказаться общий множитель.
- Проверьте ответ: подставьте число или раскройте скобки.
Пример
Разложите на множители $3x^2-24x + 48$.
- Общий множитель $3$: $3(x^2-8x + 16)$.
- В скобке три члена. Проверим полный квадрат: $x^2$ и $16 = 4^2$ — квадраты, $2 \cdot x \cdot 4 = 8x$ — средний член, знак «минус». Значит, $x^2-8x + 16 = (x-4)^2$.
$$3x^2-24x + 48 = 3(x-4)^2$$
Проверка при $x = 2$: $12-48 + 48 = 12$ и $3 \cdot (2-4)^2 = 3 \cdot 4 = 12$.
Пример
Разложите на множители $-2a^2 + 12a-18$.
Первый член со знаком «минус», поэтому вынесем $-2$. Знаки всех членов в скобке меняются: $-2(a^2-6a + 9)$. В скобке полный квадрат: $a^2-6a + 9 = (a-3)^2$.
$$-2a^2 + 12a-18 = -2(a-3)^2$$
Проверка при $a = 2$: слева $-8 + 24-18 = -2$, справа $-2 \cdot (2-3)^2 = -2$.
Ошибка
Путают знаки, когда выносят «минус»: $-a^2 + 2ab-b^2 = -(a^2 + 2ab-b^2)$. Раскроем скобку: $-(a^2 + 2ab-b^2) = -a^2-2ab + b^2$ — не совпадает. Если вынести «минус», знак меняется у каждого члена: $-a^2 + 2ab-b^2 = -(a^2-2ab + b^2) = -(a-b)^2$.
Пример
Разложите на множители $18a^3-2a$.
Общий множитель $2a$: $18a^3-2a = 2a(9a^2-1)$. В скобке разность квадратов: $9a^2-1 = (3a)^2-1^2 = (3a-1)(3a+1)$.
$$18a^3-2a = 2a(3a-1)(3a+1)$$
Группировка вместе с формулами
Когда в многочлене четыре члена и больше, общий множитель у всех членов бывает редко. Тогда члены группируют. На дереве группировка — шаг без ветвления: узел превращается в произведение или в разность квадратов, и только потом появляются ветки. После группировки в скобке часто появляется формула.
Пример
Разложите на множители $x^3-3x^2-4x + 12$.
- Группируем по два: $(x^3-3x^2) + (-4x + 12)$.
- Из первой группы выносим $x^2$, из второй $-4$: $x^2(x-3)-4(x-3)$. Проверка второй группы: $-4(x-3) = -4x + 12$.
- Общая скобка: $(x-3)(x^2-4)$.
- Множитель $x^2-4$ — разность квадратов: $(x-2)(x+2)$.
$$x^3-3x^2-4x + 12 = (x-3)(x-2)(x+2)$$
Проверка при $x = 4$: слева $64-48-16 + 12 = 12$, справа $1 \cdot 2 \cdot 6 = 12$.
Пример
Разложите на множители $a^2-b^2 + a-b$.
Сгруппируем первые два члена и последние два: $(a^2-b^2) + (a-b)$. Первая группа — разность квадратов: $(a-b)(a + b) + (a-b)$. Общий множитель — скобка $a-b$. Если вынести ее из второго слагаемого, останется $1$:
$$a^2-b^2 + a-b = (a-b)(a+b+1)$$
Проверка при $a = 3$, $b = 1$: слева $9-1 + 3-1 = 10$, справа $2 \cdot 5 = 10$.
Группы не обязаны быть парами. Посмотрите на $x^2 + 6x + 9-y^2$. Если сгруппировать по два, общей скобки не получится: $(x^2 + 6x) + (9-y^2) = x(x + 6) + (3-y)(3 + y)$. А первые три члена вместе — полный квадрат.
Пример
Разложите на множители $x^2 + 6x + 9-y^2$.
- Группа из трех членов: $x^2 + 6x + 9 = (x+3)^2$.
- Получилась разность квадратов с основаниями $x + 3$ и $y$: $(x+3)^2-y^2$.
- По формуле: $\big((x+3)-y\big)\big((x+3) + y\big)$.
$$x^2 + 6x + 9-y^2 = (x+3-y)(x+3+y)$$
Проверка при $x = 1$, $y = 2$: слева $1 + 6 + 9-4 = 12$, справа $2 \cdot 6 = 12$.
Ошибка
«Для группировки нужно четное число членов, и группируют только по два». Это неверно. В примере выше четыре члена, но группа «три плюс один». Бывает и пять членов: в $x^2-2xy + y^2 + 3x-3y$ группа из трех членов дает $(x-y)^2$, а из двух — $3(x-y)$. Общий множитель $x-y$: ответ $(x-y)(x-y+3)$. Группы выбирают так, чтобы после них появился общий множитель или формула.
Пример
Разложите на множители $25-a^2 + 2ab-b^2$.
Последние три члена сгруппируем со знаком «минус» перед скобкой: $25-(a^2-2ab + b^2) = 25-(a-b)^2$. Это разность квадратов с основаниями $5$ и $a-b$:
$$25-(a-b)^2 = \big(5-(a-b)\big)\big(5 + (a-b)\big) = (5-a+b)(5+a-b)$$
Проверка при $a = 3$, $b = 1$: слева $25-9 + 6-1 = 21$, справа $3 \cdot 7 = 21$.
Постройте дерево разложения сами. В каждом узле выберите способ — модель покажет, к чему он приведет, а если способ не подходит, объяснит почему.
Уравнения: корни из листьев
Правило
Произведение равно нулю тогда и только тогда, когда хотя бы один из множителей равен нулю.
Значит, если левую часть уравнения разложить до конца, корни можно найти по листьям. Каждый лист вида $x-a$ дает корень $a$, лист $x$ дает корень $0$.
Пример
Решите уравнение $x^3-9x = 0$.
Разложим левую часть: $x(x^2-9) = x(x-3)(x+3)$. Получаем $x(x-3)(x+3) = 0$. Листья дерева: $x$, $x-3$ и $x + 3$. Каждый может быть равен нулю:
$$x = 0, \qquad x-3 = 0, \qquad x + 3 = 0.$$
Ответ: $0$; $3$; $-3$.
Ошибка
Уравнение $x^3 = 9x$ делят на $x$: получают $x^2 = 9$ и корни $3$ и $-3$. Корень $x = 0$ потерян: $0^3 = 9 \cdot 0$ — равенство верное. Делить на $x$, не разобрав отдельно случай $x = 0$, нельзя: так теряют корень. Перенесите все в левую часть и разложите: $x^3-9x = 0$, $x(x-3)(x+3) = 0$.
Пример
Решите уравнение $x^3 + 2x^2-x-2 = 0$.
Группируем: $x^2(x + 2)-(x + 2) = (x + 2)(x^2-1) = (x+2)(x-1)(x+1)$.
Из $(x+2)(x-1)(x+1) = 0$ получаем ответ: $-2$; $1$; $-1$.
Проверка при $x = -2$: $-8 + 8 + 2-2 = 0$.
Пример
Решите уравнение $4x^3-4x^2 + x = 0$.
Общий множитель $x$: $x(4x^2-4x + 1)$. В скобке полный квадрат: $4x^2-4x + 1 = (2x-1)^2$. Уравнение $x(2x-1)^2 = 0$.
Листьев три: $x$, $2x-1$ и еще раз $2x-1$. Но два одинаковых листа дают один корень. Ответ: $0$; $0{,}5$.
Обратите внимание
Не каждый лист дает корень. Уравнение $x^3 + 9x = 0$: $x(x^2 + 9) = 0$. Лист $x^2 + 9$ при любом $x$ не меньше $9$ и в нуль не обращается. Корень один: $x = 0$.
Вычисления и делимость
Комбинация способов помогает считать без калькулятора. Сначала выносим общий множитель, затем применяем формулу.
Пример
Вычислите $2 \cdot 73^2-2 \cdot 27^2$.
$$2 \cdot 73^2-2 \cdot 27^2 = 2(73^2-27^2) = 2 \cdot (73-27)(73 + 27) = 2 \cdot 46 \cdot 100 = 9200$$
Пример
Найдите значение выражения $a^3-ab^2$ при $a = 6{,}5$, $b = 3{,}5$.
Разложим: $a^3-ab^2 = a(a^2-b^2) = a(a-b)(a+b)$. Подставим: $6{,}5 \cdot 3 \cdot 10 = 195$.
Без разложения пришлось бы считать $6{,}5^3 = 274{,}625$ и $6{,}5 \cdot 12{,}25 = 79{,}625$. Разность та же: $195$.
Вернемся к вопросу из начала урока. Разложим $n^3-n$ до конца: $n^3-n = n(n^2-1) = n(n-1)(n+1)$. Листья — три числа подряд: $n-1$, $n$ и $n + 1$.
Пример
Докажите, что $n^3-n$ делится на $6$ при любом целом $n$.
$n^3-n = (n-1) \cdot n \cdot (n+1)$ — произведение трех соседних целых чисел. Среди двух соседних чисел одно четное, поэтому произведение делится на $2$. Среди трех соседних чисел одно делится на $3$, поэтому произведение делится на $3$. Числа $2$ и $3$ не имеют общих делителей, кроме $1$, значит, произведение делится на $2 \cdot 3 = 6$.
Для $n = 2026$: $2026^3-2026 = 2025 \cdot 2026 \cdot 2027$. Число $2026$ четное, а $2025$ делится на $3$ (сумма цифр $9$). Ответ на вопрос из начала урока: да, делится.
Проверьте закономерность на своих числах: отметьте, какой из трех соседей делится на $2$ и какое на $3$, а модель посчитает $n^3-n$. Для нечетного $n$ модель покажет еще одну закономерность.
Повышенный уровень: прибавить и вычесть — как разложить $x^4 + 4$
Скрыть
Сумма квадратов $x^4 + 4 = (x^2)^2 + 2^2$ на первый взгляд не раскладывается: общего множителя нет, формулы не видно. Но прием «прибавить и вычесть» превращает ее в разность квадратов. Прибавим и вычтем $4x^2$ — значение выражения не изменится:
$$x^4 + 4 = x^4 + 4x^2 + 4-4x^2 = (x^2 + 2)^2-(2x)^2$$
Получилась разность квадратов:
$$x^4 + 4 = (x^2 + 2-2x)(x^2 + 2 + 2x) = (x^2-2x + 2)(x^2 + 2x + 2)$$
Проверка при $x = 3$: $81 + 4 = 85$ и $(9-6 + 2)(9 + 6 + 2) = 5 \cdot 17 = 85$.
Общее равенство $a^4 + 4b^4 = (a^2-2ab + 2b^2)(a^2 + 2ab + 2b^2)$ называют тождеством Софи Жермен — в честь французского математика (1776–1831). В опубликованных работах Жермен этого равенства в таком виде нет — название закрепилось позже. Из него следует, что число $n^4 + 4$ при целом $n > 1$ всегда составное.
Вывод
Разложить многочлен на множители до конца — значит построить дерево, у которого все листья больше не раскладываются. Маршрут простой: сначала общий множитель, потом способ по числу членов в скобках, затем каждый новый множитель — снова с первого шага, в конце — проверка числом. Группы не обязаны быть парами, а «минус» перед скобкой меняет знак у каждого члена. Разложение до конца дает корни уравнения — по листьям вида $x-a$ — и помогает доказывать делимость. В 8 классе так будут сокращать дроби и решать квадратные уравнения. Дальше — сумма и разность кубов: еще две формулы для разложения.
Часто задаваемые вопросы
Посмотрите на каждый множитель. Если у членов есть общий множитель, если это разность квадратов, полный квадрат или подходит группировка — раскладывайте дальше. Если ни один способ не подходит, как у $x-3$ или $x^2 + 9$, разложение закончено. Числовой множитель из скобок вынесите вперед.
После него в скобке остаются меньшие числа, и формулу легче заметить. Если начать с формулы, общий множитель часто остается внутри скобок: $(3x-6)(3x+6)$ вместо $9(x-2)(x+2)$.
Можно. Группы выбирают так, чтобы появилась общая скобка или формула: $x^2 + 6x + 9-y^2 = (x+3)^2-y^2$. Число членов не обязано быть четным.
Подставьте одно и то же число в исходное выражение и в разложение. Значения должны совпасть. Берите $2$, $3$ или $-1$, а не $0$ и $1$: на них многие ошибки не видны. Закончено ли разложение, так не проверить — смотрите на листья.
Выражение $x$ может быть равно нулю, а делить на нуль нельзя. Если делить, не разобрав отдельно случай $x = 0$, теряется корень $0$. Перенесите все в одну часть и разложите: $x(x-3)(x+3) = 0$.
Получите полный доступ ко всем материалам и занимайтесь в удобном темпе — без ограничений.
- Более 700 000 учеников и 50 000 учителей по всей России.
- Повышение среднего балла по предмету до 20 % после месяца занятий.
- Всплеск интереса к учебе и более глубокое понимание предметов.
Создайте бесплатный аккаунт — и откройте больше возможностей:
- Отслеживайте прогресс освоения тем
- Получайте персональные подборки полезных уроков и заданий
- Проводите работу над ошибками после занятий