在数学中,一个数的平方根指的是满足的数,即平方结果等于的数。例如,4和-4都是16的平方根,因为。
任意非负实数都有唯一的非负平方根,称为算术平方根或主平方根(英语:principal square root),记为,其中的符号称作根号。例如,9的算术平方根为3,记作 ,因为并且3非负。被求平方根的数称作被开方数(英语:radicand),是根号下的数字或者表达式,即例子中的数字9。
正数有两个互为相反数的平方根:正数与负数,可以将两者一起记为。
负数的平方根在复数系中有定义。而实际上,对任何定义了开平方运算的数学对象都可考虑其“平方根”(例如矩阵的平方根)。
- 在MicroSoft的试算表软件Excel与大部分编程语言中以 "sqrt()"表示求算术平方根。
历史
耶鲁大学的巴比伦藏品YBC 7289是一块泥板,制作于前1800年到前1600年之间。泥板上是一个画了两条对角线正方形,标注了的六十进制数字 1;24,51,10。[1]六十进制的 1;24,51,10 即十进制的 1.41421296,精确到了小数点后5位(1.41421356...)。
莱因德数学纸草书大约成书于前1650年,内容抄写自更早年代的教科书。书中展示了埃及人使用反比法求平方根的过程。[2]
古印度的《绳法经》大约成书于前800年到前500年之间,书中记载了将2的平方根的计算精确到小数点后5位的方法。
古希腊的《几何原本》大约成书于前380年,书中还阐述了如果正整数不是完全平方数,那么它的平方根就一定是无理数——一种无法以两个整数的比值表示的数(无法写作m/n,其中m和n是整数)。[3]
中国的《书》成书于汉朝(约前202年到前186年之间),书中介绍了使用盈不足术求平方根的方法。
古代未有划一的平方根符号时,人们通常使用他们语言内开方这个字的首个字母的变型作为开方号。
中世纪时,拉丁语中的latus(正方形边)的首个字母“L”被不少欧洲人采用;亨利·布里格斯在其著作《Arithmetica Logarithmica》中则用横线当成latus的简写,在被开方的数下画一线。
最有影响的是拉丁语的radix(平方根),1220年Leconardo在《Practica geometriae》中使用℞(R右下角的有一斜划,像P和x的合体);⎷(没有上面的横划)是由克里斯托费尔·鲁登道夫在1525年的书Coss首次使用,据说是小写r的变型;后来数学家笛卡尔给其加上线括号,但与前面的方根符号是分开的(即“⎷‾”),因此在复杂的式子中它显得很乱。直至18世纪中叶,数学家卢贝将前面的方根符号与线括号一笔写成,并将根指数写在根号的左上角,以表示高次方根(当根指数为2时,省略不写),从而形成了现在人们熟知的开方运算符号。
正数
的平方根亦可用指数表示,如:
的绝对值可用的算数平方根表示:
若正整数是平方数,则其平方根是整数。若正整数不是平方数,则其平方根是无理数。
对于正数、,以下式成立:
负数与复数
正数和负数的平方都是正数,0的平方是0,因此负数没有实数平方根。然而,我们可以把我们所使用的数字集合扩大,加入负数的平方根,这样的集合就是复数。首先需要引入一个实数集之外的新数字,记作(也可以记作,比如电学场景中一般表示电流),称之为虚数单位,定义即为,故是-1的平方根,而且,所以也是-1的平方根。通常称-1的算术平方根是,如果是任意非负实数,则的算术平方根就是:
例如-5的平方根有两个,它们分别为和。
之所以等式右侧(包括其对应的负值)是的算术平方根,是因为:
对于负数、,以下式成立:
虚数的算术平方根可以根据以下公式计算:
这个公式可以通过用代数方法推导,只需找到特定的实数和,满足
就可以得到方程组
的解:
其中,算术平方根即为
这个公式还可以通过棣莫弗公式得到,设
就可以推出
对于任何一个非零的复数都存在两个复数使得。
首先,我们将复数 看作是平面上的点,即笛卡尔坐标系中的点。这个点也可以写作极坐标的,其中,是该点到坐标原点的距离,则是从原点到该点的直线与实数坐标轴(轴)的夹角。复分析中,通常把该点记作。如果
那么我们将的算术平方根定义为:
因此,平方根函数除了在非正实数轴上以外是处处全纯的。 的泰勒级数也适用于复数。
上面的公式还可以用三角函数的形式表达:
如果使用笛卡尔坐标的形式表达复数 z,其算术平方根可以使用如下公式:[4][5]
其中,方根虚部的符号与被开方数虚部的符号相同(为0时取正);主值实部永远非负。
在虚数里,平方根函数的值不是连续的,以下等式不一定成立:
所以这是错误的:
多项式
例:若,
2的算术平方根
数学史中,最重要的平方根可以说是,它代表边长为1的正方形的对角线长,是第一个公认的无理数,也叫毕达哥拉斯常数,其值到小数点14位约为1.4142135623731。
是无理数,可由归谬法证明:
计算方法
。
注意,6 的素因数分解为 2 × 3,不能写成某个数的平方,因此 就是最简结果 。
《九章算术》和《孙子算经》都有筹算的开方法。宋代数学家贾宪发明释锁开平方法、增乘开平方法;明代数学家王素文,程大位发明珠算开平方法,而朱载堉《算学新说》首创用81位算盘开方,精确到25位数字[6]。
长除式算平方根的方式也称为直式开方法,原理是。
- 首先将要开平方根的数从小数点分别向右及向左每两个位一组分开,如98765.432内小数点前的65是一组,87是一组,9是一组,小数点后的43是一组,之后是单独一个2,要补一个0而得20是一组。如1 04.85 73得四组,顺序为1' 04. 85' 73'。
- 将最左的一组的数减去最接近又少于它的平方数,并将该平方数的开方(应该是个位数)记下。
- 将上一步所得之差乘100,和下一组数加起来。
- 将记下的数乘20,然后将它加上某个个位数,再乘以该个个位数,令这个积不大于但最接近上一步所得之差,并将该个个位数记下,且将上一步所得之差减去所得之积。
- 记下的数一次隔两位记下。
- 重复第3步,直到找到答案。
- 可以在数字的最右补上多组的00'以求得理想的精确度为止。
下面以为例子:
四舍五入得答案为14.14。
事实上,将算法稍作改动,可以开任何次方的根,详见n次方算法。
利用高精度长式除法可以计算出1至20的平方根如下:
1 | ||
1.4142135623 7309504880 1688724209 6980785696 7187537694 8073176679 7379907324 78462 | ||
1.7320508075 6887729352 7446341505 8723669428 0525381038 0628055806 9794519330 16909 | ||
2 | ||
2.2360679774 9978969640 9173668731 2762354406 1835961152 5724270897 2454105209 25638 | ||
2.4494897427 8317809819 7284074705 8913919659 4748065667 0128432692 5672509603 77457 | ||
2.6457513110 6459059050 1615753639 2604257102 5918308245 0180368334 4592010688 23230 | ||
2.8284271247 4619009760 3377448419 3961571393 4375075389 6146353359 4759814649 56924 | ||
3 | ||
3.1622776601 6837933199 8893544432 7185337195 5513932521 6826857504 8527925944 38639 | ||
3.3166247903 5539984911 4932736670 6866839270 8854558935 3597058682 1461164846 42609 | ||
3.4641016151 3775458705 4892683011 7447338856 1050762076 1256111613 9589038660 33818 | ||
3.6055512754 6398929311 9221267470 4959462512 9657384524 6212710453 0562271669 48293 | ||
3.7416573867 7394138558 3748732316 5493017560 1980777872 6946303745 4673200351 56307 | ||
3.8729833462 0741688517 9265399782 3996108329 2170529159 0826587573 7661134830 91937 | ||
4 | ||
4.1231056256 1766054982 1409855974 0770251471 9922537362 0434398633 5730949543 46338 | ||
4.2426406871 1928514640 5066172629 0942357090 1562613084 4219530039 2139721974 35386 | ||
4.3588989435 4067355223 6981983859 6156591370 0392523244 4936890344 1381595573 28203 | ||
4.4721359549 9957939281 8347337462 5524708812 3671922305 1448541794 4908210418 51276 |
如果要求的平方根,选取
例子:求至6位有效数字。
因此.
平方根可以简便地用连分数的形式表示,关于连分数请见连分数,其中1至20的算术平方根分别可用连分数表示为:
连分数部分均循环,省略号前为2或4个循环节。
巴比伦求平方根的算法实际上很简单:(假设要求一个数N的平方根)
- 预测一个平方根,初始另一个值,且
- 求预测值与初始值的均值:,
- 比较和的差值是否达到精度,如果无,继续步骤
这个方法是从佩尔方程演变过来的,它通过不断减去奇数来求得答案。
给定线段AB和1,求一条长为的线段。
- 画线AB,延长BA至C使
- 以BC的中点为圆心,OC为半径画圆
- 过A画BC的垂直线,垂直线和圆弧交于D,AD即为所求之长度
将整个过程搬到直角座标上,已知AC=1,设
- O=
- AB=
- 直径为BC的圆就是(圆的方程式:)(其中表示半径。)
- 将(A,D所在的x座标)代入上面的方程式
- 解方程,得。
另也可参见射影定理。
参见
外部链接
参考资料
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