含正整数参数r、s的分式方程求解及解的唯一性验证问询
嗨,我来帮你梳理这个问题的解法和结论!先明确问题前提:给定正整数 $r、s$,且 $0 < x \leqslant y < \infty$,需要求解如下分式方程:
$$\frac{sx{s-1}-ry{s-1}}{sy{r-1}-rx{r-1}} = \frac{sy{s-1}-rx{s-1}}{sx{r-1}-ry{r-1}}$$
你已经发现 $x=y$ 是一个显然解,这个结论完全正确——当 $x=y$ 时,分子分母的同类项会合并为 $(s-r)x^{k}$($k$ 对应指数),两边分式最终都等于 $x^{s-r}$,必然相等,且这个解和 $r、s$ 的具体取值无关。
接下来我们通过交叉相乘展开的方式推导更完整的解:
首先假设方程两边的分母均不为0(后续会单独讨论分母为0的无意义情况),将原方程交叉相乘得:
$$(sx{s-1}-ry{s-1})(sx{r-1}-ry{r-1}) = (sy{s-1}-rx{s-1})(sy{r-1}-rx{r-1})$$
把两边分别展开后,你会发现中间的交叉项($-sr x{s-1}y{r-1}$、$-sr x{r-1}y{s-1}$)会完全抵消,最终整理得到:
$$(s^2 - r2)(x{s+r-2} - y^{s+r-2}) = 0$$
基于这个式子,我们分两种情况讨论:
情况1:$r = s$
此时 $s^2 - r^2 = 0$,原方程的左右两边会简化为:
左边:$\frac{s(x{s-1}-y{s-1})}{-s(x{s-1}-y{s-1})} = -1$
右边:$\frac{-s(x{s-1}-y{s-1})}{s(x{s-1}-y{s-1})} = -1$
需要注意:
- 若 $x=y$,原方程的分母会变为0,属于无意义的情况,不是解;
- 所有满足 $0 < x \leqslant y < \infty$ 且 $x \neq y$ 的数都是方程的解,因为此时两边分式均有定义且等于-1。
情况2:$r \neq s$
此时 $s^2 - r^2 \neq 0$,因此必须满足 $x^{s+r-2} - y^{s+r-2} = 0$。
由于 $0 < x \leqslant y < \infty$,且 $s、r$ 是正整数,$s+r-2 \geqslant 1$(除非 $r=s=1$,但该情况已归为情况1),所以只有 $x=y$ 能满足等式。
同时,当 $x=y$ 时,分母为 $(s-r)x^{r-1}$,因为 $r \neq s$ 且 $x>0$,分母不为0,分式有意义,因此唯一解就是 $x=y$。
另外你推导的变形式子:
$$-\frac{syxs-rxys}{ryxr-sxyr}=\frac{ryxs-sxys}{rxyr-syxr}$$
其实是原方程提取公因子 $xy$ 后的等价变形,和我们上面的推导逻辑一致,是正确的中间步骤。
备注:内容来源于stack exchange,提问作者Rhjg




