小探可写 Axx + 2Bxy + Cyy + 2Dx + 2Ey + F 为二个一次式的积的必要与充分条件(A, B, C 不全为零)

A, B, C, D, E, F 是复数,且 A, B, C 不全为零。记

f(x, y) = Ax^2 + 2Bxy + Cy^2 + 2Dx + 2Ey + F

我们将讨论可写 f(x, y) 为二个一次式的积的一个必要与充分条件。具体地说,就是存在复数 a_0, a_1, a_2, a_3, a_4, a_5 使

f(x, y) = (a_0 x + a_1 y + a_2) (a_3 x + a_4 y + a_5)

的一个必要与充分条件。


注记

我会在之后的贴子里解释什么是复数。

这里,我为不清楚“必要与充分条件”的读者稍作解释。

设“若 p ,则 q ”是真命题。我们说, pq 的充分条件(sufficient condition),且 qp 的必要条件(necessary condition)。用符号写出来,就是

p \Rightarrow q \quad \text{or} \quad q \Leftarrow p

我们会遇到形如“ \ell 的一个必要与充分条件是 r ”的命题。换个说法,就是“ r\ell 的一个必要与充分条件”。再分解一下,就是“ r\ell 的一个必要条件”与“ r\ell 的一个充分条件”这二个命题。根据定义,这相当于“若 \ell ,则 r ”与“若 r ,则 \ell ”都是真命题。也就是说, \ellr 是等价的(equivalent)。用符号写出来,就是

p \Leftrightarrow q

证明“ \ell 的一个必要与充分条件是 r ”时,我们会把它分为必要性(necessity)与充分性(sufficiency)二个部分。证明必要性,就是证明“ r\ell 的一个必要条件”,也就是证明“若 \ell ,则 r ”是对的;换句话说,证明左边可以推出右边。证明充分性,就是证明“ r\ell 的一个充分条件”,也就是证明“若 r ,则 \ell ”是对的;换句话说,证明右边可以推出左边。

You could see the source code here.
设 $A$, $B$, $C$, $D$, $E$, $F$ 是复数,且 $A$, $B$, $C$ 不全为零。记
$$
f(x, y) = Ax^2 + 2Bxy + Cy^2 + 2Dx + 2Ey + F
$$
我们将讨论可写 $f(x, y)$ 为二个一次式的积的一个必要与充分条件。具体地说,就是存在复数 $a_0$, $a_1$, $a_2$, $a_3$, $a_4$, $a_5$ 使
$$
f(x, y) = (a_0 x + a_1 y + a_2) (a_3 x + a_4 y + a_5)
$$
的一个必要与充分条件。

---

注记

我会在之后的贴子里解释什么是复数。

这里,我为不清楚“必要与充分条件”的读者稍作解释。

设“若 $p$ ,则 $q$ ”是真命题。我们说, $p$ 是 $q$ 的充分条件(sufficient condition),且 $q$ 是 $p$ 的必要条件(necessary condition)。用符号写出来,就是
$$
p \Rightarrow q \quad \text{or} \quad q \Leftarrow p
$$

我们会遇到形如“ $\ell$ 的一个必要与充分条件是 $r$ ”的命题。换个说法,就是“ $r$ 是 $\ell$ 的一个必要与充分条件”。再分解一下,就是“ $r$ 是 $\ell$ 的一个必要条件”与“ $r$ 是 $\ell$ 的一个充分条件”这二个命题。根据定义,这相当于“若 $\ell$ ,则 $r$ ”与“若 $r$ ,则 $\ell$ ”都是真命题。也就是说, $\ell$ 跟 $r$ 是等价的(equivalent)。用符号写出来,就是
$$
p \Leftrightarrow q
$$

证明“ $\ell$ 的一个必要与充分条件是 $r$ ”时,我们会把它分为必要性(necessity)与充分性(sufficiency)二个部分。证明必要性,就是证明“ $r$ 是 $\ell$ 的一个必要条件”,也就是证明“若 $\ell$ ,则 $r$ ”是对的;换句话说,证明左边可以推出右边。证明充分性,就是证明“ $r$ 是 $\ell$ 的一个充分条件”,也就是证明“若 $r$ ,则 $\ell$ ”是对的;换句话说,证明右边可以推出左边。

我们先引入一种简写记号。设 a_{11}, a_{12}, a_{13}, a_{21}, a_{22}, a_{23}, a_{31}, a_{32}, a_{33} 是九个数。定义

\begin{vmatrix} a_{11} & a_{12} & a_{13} \\ a_{21} & a_{22} & a_{23} \\ a_{31} & a_{32} & a_{33} \end{vmatrix} = a_{11} a_{22} a_{33} - a_{11} a_{32} a_{23} - a_{21} a_{12} a_{33} + a_{21} a_{32} a_{13} + a_{31} a_{12} a_{23} - a_{31} a_{22} a_{13}
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我们先引入一种简写记号。设 $a_{11}$, $a_{12}$, $a_{13}$, $a_{21}$, $a_{22}$, $a_{23}$, $a_{31}$, $a_{32}$, $a_{33}$ 是九个数。定义
$$
\begin{vmatrix}
    a_{11} & a_{12} & a_{13} \\
    a_{21} & a_{22} & a_{23} \\
    a_{31} & a_{32} & a_{33}
\end{vmatrix} = a_{11} a_{22} a_{33} - a_{11} a_{32} a_{23}
- a_{21} a_{12} a_{33} + a_{21} a_{32} a_{13}
+ a_{31} a_{12} a_{23} - a_{31} a_{22} a_{13}
$$

现在我们进入正题。我们说,存在复数 a_0, a_1, a_2, a_3, a_4, a_5 使

\begin{aligned} f(x, y) = {} & Ax^2 + 2Bxy + Cy^2 + 2Dx + 2Ey + F \\ = {} & (a_0 x + a_1 y + a_2) (a_3 x + a_4 y + a_5) \end{aligned}

的一个必要与充分条件是

\Delta = \begin{vmatrix} A & B & D \\ B & C & E \\ D & E & F \\ \end{vmatrix} = 0
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现在我们进入正题。我们说,存在复数 $a_0$, $a_1$, $a_2$, $a_3$, $a_4$, $a_5$ 使
$$
\begin{aligned}
f(x, y)
= {} & Ax^2 + 2Bxy + Cy^2 + 2Dx + 2Ey + F \\
= {} & (a_0 x + a_1 y + a_2) (a_3 x + a_4 y + a_5)
\end{aligned}
$$
的一个必要与充分条件是
$$
\Delta = \begin{vmatrix}
    A & B & D \\
    B & C & E \\
    D & E & F \\
\end{vmatrix} = 0
$$

先看简单的必要性。设

f(x,y) = (a_0 x + a_1 y + a_2) (a_3 x + a_4 y + a_5)

展开它:

f(x,y) = A x^2 + 2B xy + C y^2 + 2D x + 2E y + F

这里

\begin{aligned} & A = a_0 a_3, \quad C = a_1 a_4, \quad F = a_2 a_5, \\ & 2B = a_0 a_4 + a_1 a_3, \\ & 2D = a_0 a_5 + a_2 a_3, \\ & 2E = a_1 a_5 + a_2 a_4 \end{aligned}

所以

\begin{aligned} \Delta = {} & \begin{vmatrix} A & B & D \\ B & C & E \\ D & E & F \\ \end{vmatrix} \\ = {} & ACF - A E^2 - B^2 F + BED + DBE - DCD \\ = {} & ACF + 2BED - (AE^2 + CD^2 + FB^2) \\ = {} & \frac{1}{4} (4ACF + 2B \cdot 2E \cdot 2D) - \frac{1}{4} (A (2E)^2 + C (2D)^2 + F(2B)^2) \\ = {} & \frac{1}{4} (4 a_0 a_1 a_2 a_3 a_4 a_5 + a_1 a_2^2 a_4 a_3^2+a_1^2 a_2 a_5 a_3^2+a_0 a_2^2 a_4^2 a_3+a_0 a_1^2 a_5^2 a_3 \\ & \quad \qquad +2 a_0 a_1 a_2 a_4 a_5 a_3+a_0^2 a_1 a_4 a_5^2+a_0^2 a_2 a_4^2 a_5) \\ & \quad - \frac{1}{4} (a_0 a_2^2 a_3 a_4^2+2 a_0 a_1 a_2 a_3 a_5 a_4+a_0 a_1^2 a_3 a_5^2 \\ & \quad \qquad +a_1 a_2^2 a_4 a_3^2+2 a_0 a_1 a_2 a_4 a_5 a_3+a_0^2 a_1 a_4 a_5^2 \\ & \quad \qquad +a_1^2 a_2 a_5 a_3^2+2 a_0 a_1 a_2 a_4 a_5 a_3+a_0^2 a_2 a_4^2 a_5) \\ = {} & 0 \end{aligned}
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先看简单的必要性。设
$$
f(x,y) = (a_0 x + a_1 y + a_2) (a_3 x + a_4 y + a_5)
$$
展开它:
$$
f(x,y) = A x^2 + 2B xy + C y^2 + 2D x + 2E y + F
$$
这里
$$
\begin{aligned}
    & A = a_0 a_3, \quad C = a_1 a_4, \quad F = a_2 a_5, \\
    & 2B = a_0 a_4 + a_1 a_3, \\
    & 2D = a_0 a_5 + a_2 a_3, \\
    & 2E = a_1 a_5 + a_2 a_4
\end{aligned}
$$
所以
$$
\begin{aligned}
    \Delta
= {} & \begin{vmatrix}
        A & B & D \\
        B & C & E \\
        D & E & F \\
    \end{vmatrix} \\
= {} & ACF - A E^2 - B^2 F + BED + DBE - DCD \\
= {} & ACF + 2BED - (AE^2 + CD^2 + FB^2) \\
= {} & \frac{1}{4} (4ACF + 2B \cdot 2E \cdot 2D) - \frac{1}{4} (A (2E)^2 + C (2D)^2 + F(2B)^2) \\
= {} & \frac{1}{4} (4 a_0 a_1 a_2 a_3 a_4 a_5 + a_1 a_2^2 a_4 a_3^2+a_1^2 a_2 a_5 a_3^2+a_0 a_2^2 a_4^2 a_3+a_0 a_1^2 a_5^2 a_3 \\
& \quad \qquad +2 a_0 a_1 a_2 a_4 a_5 a_3+a_0^2 a_1 a_4 a_5^2+a_0^2 a_2 a_4^2 a_5) \\
& \quad - \frac{1}{4} (a_0 a_2^2 a_3 a_4^2+2 a_0 a_1 a_2 a_3 a_5 a_4+a_0 a_1^2 a_3 a_5^2 \\
& \quad \qquad +a_1 a_2^2 a_4 a_3^2+2 a_0 a_1 a_2 a_4 a_5 a_3+a_0^2 a_1 a_4 a_5^2 \\
& \quad \qquad +a_1^2 a_2 a_5 a_3^2+2 a_0 a_1 a_2 a_4 a_5 a_3+a_0^2 a_2 a_4^2 a_5) \\
= {} & 0
\end{aligned}
$$

再看稍复杂一些的充分性。

\Delta = \begin{vmatrix} A & B & D \\ B & C & E \\ D & E & F \\ \end{vmatrix} = ACF + 2BED - (AE^2 + CD^2 + FB^2) = 0

分类讨论。

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再看稍复杂一些的充分性。

设
$$
\Delta = \begin{vmatrix}
    A & B & D \\
    B & C & E \\
    D & E & F \\
\end{vmatrix} = ACF + 2BED - (AE^2 + CD^2 + FB^2) = 0
$$
分类讨论。

0. A = C = 0B \neq 0 。此时

\begin{aligned} f(x,y) = {} & 2Bxy + 2Dx + 2Ey + F \\ = {} & \frac{2}{B}(Bx \cdot By + D \cdot Bx + E \cdot By) + F \\ = {} & \frac{2}{B}(Bx \cdot By + D \cdot Bx + E \cdot By + DE - DE) + F \\ = {} & \frac{2}{B}(Bx \cdot By + D \cdot Bx + E \cdot By + DE) - \frac{2}{B} \cdot DE + F \\ = {} & \frac{2}{B}(Bx + E)(By + D) - \frac{2ED - FB}{B} \\ = {} & \left(1x + 0y + \frac{E}{B}\right)(0x + 2By + 2D) - \frac{2BED - FB^2}{B^2} \end{aligned}

因为 \Delta = 0 ,且 A = C = 0 ,故

\Delta = 0 + 2BED - (0 + 0 + FB^2) = 2BED - FB^2 = 0

从而

f(x,y) = \left(1x + 0y + \frac{E}{B}\right)(0x + 2By + 2D)
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0\. $A = C = 0$ 且 $B \neq 0$ 。此时
$$
\begin{aligned}
    f(x,y)
    = {} & 2Bxy + 2Dx + 2Ey + F \\
    = {} & \frac{2}{B}(Bx \cdot By + D \cdot Bx + E \cdot By) + F \\
    = {} & \frac{2}{B}(Bx \cdot By + D \cdot Bx + E \cdot By + DE - DE) + F \\
    = {} & \frac{2}{B}(Bx \cdot By + D \cdot Bx + E \cdot By + DE) - \frac{2}{B} \cdot DE + F \\
    = {} & \frac{2}{B}(Bx + E)(By + D) - \frac{2ED - FB}{B} \\
    = {} & \left(1x + 0y + \frac{E}{B}\right)(0x + 2By + 2D) - \frac{2BED - FB^2}{B^2}
\end{aligned}
$$
因为 $\Delta = 0$ ,且 $A = C = 0$ ,故
$$
\Delta = 0 + 2BED - (0 + 0 + FB^2) = 2BED - FB^2 = 0
$$
从而
$$
f(x,y) = \left(1x + 0y + \frac{E}{B}\right)(0x + 2By + 2D)
$$

1. A \neq 0 。此时

f(x,y) = Ax^2 + 2(By + D)x + (Cy^2 + 2Ey + F)

利用

az^2 + 2bz = \frac{1}{a} (az + b)^2 - \frac{b^2}{a}

可知

f(x,y) = \frac{1}{A} (Ax + By + D)^2 + \frac{1}{A}((AC - B^2)y^2 + 2(AE - BD)y) + \frac{AF - D^2}{A}

我们依 AC - B^2 是否为零分类。

You could see the source code here.
1\. $A \neq 0$ 。此时
$$
f(x,y) = Ax^2 + 2(By + D)x + (Cy^2 + 2Ey + F)
$$
利用
$$
az^2 + 2bz = \frac{1}{a} (az + b)^2 - \frac{b^2}{a}
$$
可知
$$
f(x,y) = \frac{1}{A} (Ax + By + D)^2 + \frac{1}{A}((AC - B^2)y^2 + 2(AE - BD)y) + \frac{AF - D^2}{A}
$$
我们依 $AC - B^2$ 是否为零分类。

1.0. AC - B^2 = 0 。此时, C = \frac{B^2}{A} 。因为 \Delta = 0 ,故

\begin{aligned} \Delta = {} & A \cdot \frac{B^2}{A} \cdot F + 2BED - AE^2 - \frac{B^2 D^2}{A} - FB^2 \\ = {} & -\frac{1}{A} (A^2 E^2 - 2AE BD + B^2 D^2) \\ = {} & -\frac{1}{A} (AE - BD)^2 = 0 \end{aligned}

所以 AE - BD = 0 。这样

f(x,y) = \frac{(Ax + By + D)^2 - (D^2 - AF)}{A}

设复数 d 适合 d^2 = D^2 - AF 。则

f(x,y) = \frac{1}{A} (Ax + By + D + d)(Ax + By + D - d)

也就是

f(x,y) = \left( 1x + \frac{B}{A} y + \frac{D+d}{A} \right) (Ax + By + (D - d))
You could see the source code here.
1\.0\. $AC - B^2 = 0$ 。此时, $C = \frac{B^2}{A}$ 。因为 $\Delta = 0$ ,故
$$
\begin{aligned}
    \Delta
    = {} & A \cdot \frac{B^2}{A} \cdot F + 2BED - AE^2 - \frac{B^2 D^2}{A} - FB^2 \\
    = {} & -\frac{1}{A} (A^2 E^2 - 2AE BD + B^2 D^2) \\
    = {} & -\frac{1}{A} (AE - BD)^2 = 0
\end{aligned}
$$
所以 $ AE - BD = 0 $ 。这样
$$
f(x,y) = \frac{(Ax + By + D)^2 - (D^2 - AF)}{A}
$$
设复数 $d$ 适合 $d^2 = D^2 - AF$ 。则
$$
f(x,y) = \frac{1}{A} (Ax + By + D + d)(Ax + By + D - d)
$$
也就是
$$
f(x,y) = \left( 1x + \frac{B}{A} y + \frac{D+d}{A} \right) (Ax + By + (D - d))
$$

1.1. AC - B^2 \neq 0 。此时

\begin{aligned} & (AC - B^2) y^2 + 2(AE - BD)y \\ = {} & \frac{1}{AC - B^2} ((AC - B^2)y + (AE - BD))^2 - \frac{(AE - BD)^2}{AC - B^2} \end{aligned}

所以

\begin{aligned} f(x,y) = {} & \frac{(Ax + By + D)^2}{A} - \frac{((B^2 - AC)y + (BD - AE))^2}{A(B^2 - AC)} \\ {} & \qquad \qquad + \frac{AF - D^2}{A} - \frac{(AE - BD)^2}{A(AC - B^2)} \end{aligned}

也就是

f(x,y) = \frac{(Ax + By + D)^2}{A} - \frac{((B^2 - AC)y + (BD - AE))^2}{A(B^2 - AC)} + \frac{\Delta}{AC - B^2}

因为 \Delta = 0 ,故

f(x,y) = \frac{(Ax + By + D)^2}{A} - \frac{((B^2 - AC)y + (BD - AE))^2}{A(B^2 - AC)}

设复数 e 适合 e^2 = B^2 - AC 。设 f = \frac{BD-AE}{e} 。则

\begin{aligned} f(x,y) = {} & \frac{(Ax + By + D)^2}{A} - \frac{(ey + \frac{BD-AE}{e})^2}{A} \\ = {} & \frac{(Ax + By + D)^2}{A} - \frac{(ey + f)^2}{A} \\ = {} & \frac{1}{A}(Ax + By + D + ey + f)(Ax + By + D - ey - f) \\ = {} & \left( 1x + \frac{B+e}{A}y + \frac{D+f}{A} \right) (Ax + (B-e)y + (D-f)) \end{aligned}
You could see the source code here.
1\.1\. $AC - B^2 \neq 0$ 。此时
$$
\begin{aligned}
& (AC - B^2) y^2 + 2(AE - BD)y \\
= {} & \frac{1}{AC - B^2} ((AC - B^2)y + (AE - BD))^2 - \frac{(AE - BD)^2}{AC - B^2}
\end{aligned}
$$
所以
$$
\begin{aligned}
f(x,y)
= {} & \frac{(Ax + By + D)^2}{A} - \frac{((B^2 - AC)y + (BD - AE))^2}{A(B^2 - AC)} \\
{} & \qquad \qquad + \frac{AF - D^2}{A} - \frac{(AE - BD)^2}{A(AC - B^2)}
\end{aligned}
$$
也就是
$$
f(x,y) = \frac{(Ax + By + D)^2}{A} - \frac{((B^2 - AC)y + (BD - AE))^2}{A(B^2 - AC)} + \frac{\Delta}{AC - B^2}
$$
因为 $\Delta = 0$ ,故
$$
f(x,y) = \frac{(Ax + By + D)^2}{A} - \frac{((B^2 - AC)y + (BD - AE))^2}{A(B^2 - AC)}
$$
设复数 $e$ 适合 $e^2 = B^2 - AC$ 。设 $f = \frac{BD-AE}{e}$ 。则
$$
\begin{aligned}
    f(x,y)
    = {} & \frac{(Ax + By + D)^2}{A} - \frac{(ey + \frac{BD-AE}{e})^2}{A} \\
    = {} & \frac{(Ax + By + D)^2}{A} - \frac{(ey + f)^2}{A} \\
    = {} & \frac{1}{A}(Ax + By + D + ey + f)(Ax + By + D - ey - f) \\
    = {} & \left( 1x + \frac{B+e}{A}y + \frac{D+f}{A} \right) (Ax + (B-e)y + (D-f))
\end{aligned}
$$

我为什么会点进来?

1 个赞

这似乎不是我能用算学解释的现象。

2. C \neq 0 。此时

f(x,y) = Cy^2 + 2Byx + Ax^2 + 2Ey + 2Dx + F

G(X,Y) = CX^2 + 2BXY + AY^2 + 2EX + 2DY + F

换句话说

G(r,s) = f(s,r)

我们算一下

\Delta' = \begin{vmatrix} C & B & E \\ B & A & D \\ E & D & F \\ \end{vmatrix}

其实, \Delta'\Delta 的区别就是 A, C 互换与 D, E 互换。也就是说

\Delta' = CAF + 2BDE - (CD^2 + AE^2 + FB^2) = \Delta = 0

所以,存在复数 a_0,\cdots,a_5 使

G(X,Y) = (a_0 X + a_1 Y + a_2) (a_3 X + a_4 Y + a_5)

所以

f(x,y) = G(y,x) = (a_1 x + a_0 y + a_2) (a_4 x + a_3 y + a_5)
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2\. $C \neq 0$ 。此时
$$
f(x,y) = Cy^2 + 2Byx + Ax^2 + 2Ey + 2Dx + F
$$
作
$$
G(X,Y) = CX^2 + 2BXY + AY^2 + 2EX + 2DY + F
$$
换句话说
$$
G(r,s) = f(s,r)
$$
我们算一下
$$
\Delta' = \begin{vmatrix}
    C & B & E \\
    B & A & D \\
    E & D & F \\
\end{vmatrix}
$$
其实, $\Delta'$ 与 $\Delta$ 的区别就是 $A$, $C$ 互换与 $D$, $E$ 互换。也就是说
$$
\Delta' = CAF + 2BDE - (CD^2 + AE^2 + FB^2) = \Delta = 0
$$
所以,存在复数 $a_0,\cdots,a_5$ 使
$$
G(X,Y) = (a_0 X + a_1 Y + a_2) (a_3 X + a_4 Y + a_5)
$$
所以
$$
f(x,y) = G(y,x) = (a_1 x + a_0 y + a_2) (a_4 x + a_3 y + a_5)
$$

我休息一下。等会儿我会讨论这个命题的应用。

这个命题可用来解由二个二元二次方程联立的方程组。

所谓二元二次方程,就是指形如 Ax^2 + 2Bxy + Cy^2 + 2Dx + 2Ey + F = 0 的方程,其中 A, B, C 不全为零。 x^2 - y^2 + 2y - 1 = 0 就是一个二元二次方程。

\begin{aligned} & f(x,y) = A_1 x^2 + 2B_1 xy + C_1 y^2 + 2D_1 x + 2E_1 y + F_1, \\ & g(x,y) = A_2 x^2 + 2B_2 xy + C_2 y^2 + 2D_2 x + 2E_2 y + F_2 \end{aligned}

都是系数为复数的二元二次多项式。我们想解方程组

\begin{cases} f(x,y) = 0, \\ g(x,y) = 0 \end{cases}
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这个命题可用来解由二个二元二次方程联立的方程组。

所谓二元二次方程,就是指形如 $Ax^2 + 2Bxy + Cy^2 + 2Dx + 2Ey + F = 0$ 的方程,其中 $A$, $B$, $C$ 不全为零。 $x^2 - y^2 + 2y - 1 = 0$ 就是一个二元二次方程。

设
$$
\begin{aligned}
    & f(x,y) = A_1 x^2 + 2B_1 xy + C_1 y^2 + 2D_1 x + 2E_1 y + F_1, \\
    & g(x,y) = A_2 x^2 + 2B_2 xy + C_2 y^2 + 2D_2 x + 2E_2 y + F_2
\end{aligned}
$$
都是系数为复数的二元二次整式。我们想解方程组
$$
\begin{cases}
    f(x,y) = 0, \\
    g(x,y) = 0
\end{cases}
$$

我们先看一个具体的例。

解方程组

\begin{cases} x^2 + y^2 = 5, \\ x^2 - 2x - y^2 + 1 = 0 \end{cases}

或许,敏锐的读者已经注意到

\begin{aligned} 0 = {} & x^2 - 2x - y^2 + 1 \\ = {} & (x^2 - 2x + 1) - y^2 \\ = {} & (x - 1)^2 - y^2 \\ = {} & (x - 1 + y)(x - 1 - y) \end{aligned}

所以

x - 1 + y = 0 \qquad \text{or} \qquad x - 1 - y = 0

也就是

x = 1 - y \qquad \text{or} \qquad x = 1 + y

分类讨论。

x = 1 - y, 则

5 = x^2 + y^2 = (1 - y)^2 + y^2 = 2y^2 - 2y + 1

所以

0 = 2y^2 - 2y + 1 - 5 = 2(y^2 - y - 2) = 2(y - 2)(y + 1)

所以

y = 2 \qquad \text{or} \qquad y = -1

从而对应的 x 分别是

x = 1 - 2 = -1 \qquad \text{or} \qquad x = 1 - (-1) = 2

x = 1 + y, 则

5 = x^2 + y^2 = (1 + y)^2 + y^2 = 2y^2 + 2y + 1

所以

0 = 2y^2 + 2y + 1 - 5 = 2(y^2 + y - 2) = 2(y + 2)(y - 1)

所以

y = -2 \qquad \text{or} \qquad y = 1

从而对应的 x 分别是

x = 1 + (-2) = -1 \qquad \text{or} \qquad x = 1 + 1 = 2

综上,方程组有四组解:

\begin{aligned} & x = -1 \quad \text{and} \quad y = -2 \\ \text{or} \quad & x = -1 \quad \text{and} \quad y = 2 \\ \text{or} \quad & x = 2 \quad \text{and} \quad y = -1 \\ \text{or} \quad & x = 2 \quad \text{and} \quad y = 1 \end{aligned}
You could see the source code here.
我们先看一个具体的例。

> 解方程组
> $$
 \begin{cases}
 x^2 + y^2 = 5, \\
 x^2 - 2x - y^2 + 1 = 0
 \end{cases}
> $$

或许,敏锐的读者已经注意到
$$
\begin{aligned}
    0
    = {} & x^2 - 2x - y^2 + 1 \\
    = {} & (x^2 - 2x + 1) - y^2 \\
    = {} & (x - 1)^2 - y^2 \\
    = {} & (x - 1 + y)(x - 1 - y)
\end{aligned}
$$
所以
$$
x - 1 + y = 0 \qquad \text{or} \qquad x - 1 - y = 0
$$
也就是
$$
x = 1 - y \qquad \text{or} \qquad x = 1 + y
$$
分类讨论。

若 $x = 1 - y$, 则
$$
5 = x^2 + y^2 = (1 - y)^2 + y^2 = 2y^2 - 2y + 1
$$
所以
$$
0 = 2y^2 - 2y + 1 - 5 = 2(y^2 - y - 2) = 2(y - 2)(y + 1)
$$
所以
$$
y = 2 \qquad \text{or} \qquad y = -1
$$
从而对应的 $x$ 分别是
$$
x = 1 - 2 = -1 \qquad \text{or} \qquad x = 1 - (-1) = 2
$$

若 $x = 1 + y$, 则
$$
5 = x^2 + y^2 = (1 + y)^2 + y^2 = 2y^2 + 2y + 1
$$
所以
$$
0 = 2y^2 + 2y + 1 - 5 = 2(y^2 + y - 2) = 2(y + 2)(y - 1)
$$
所以
$$
y = -2 \qquad \text{or} \qquad y = 1
$$
从而对应的 $x$ 分别是
$$
x = 1 + (-2) = -1 \qquad \text{or} \qquad x = 1 + 1 = 2
$$

综上,方程组有四组解:
$$
\begin{aligned}
    & x = -1 \quad \text{and} \quad y = -2 \\
    \text{or} \quad & x = -1 \quad \text{and} \quad y = 2 \\
    \text{or} \quad & x = 2 \quad \text{and} \quad y = -1 \\
    \text{or} \quad & x = 2 \quad \text{and} \quad y = 1
\end{aligned}
$$

仔细地体会上个例。我们是怎么解

\begin{cases} x^2 + y^2 = 5, \\ x^2 - 2x - y^2 + 1 = 0 \end{cases}

的?此方程组还是比较好求解的,因为第二个二元二次方程 x^2 - 2x - y^2 + 1 = 0 可写为二个一次式 \ell_1 = x - 1 + y\ell_2 = x - 1 - y 的积。我们说,若二个数 a, b 的积为零,那么必有 a = 0b = 0 (这是因为二个非零数的积不是零)。通过代入消元,我们化第一个二元二次方程 x^2 + y^2 = 5 为一元二次方程。一元二次方程是很好解的。这样,我们成功地求解了这个方程组。

You could see the source code here.
仔细地体会上个例。我们是怎么解
$$
 \begin{cases}
 x^2 + y^2 = 5, \\
 x^2 - 2x - y^2 + 1 = 0
 \end{cases}
$$
的?此方程组还是比较好求解的,因为第二个二元二次方程 $x^2 - 2x - y^2 + 1 = 0$ 可写为二个一次式 $\ell_1 = x - 1 + y$ 与 $\ell_2 = x - 1 - y$ 的积。我们说,若二个数 $a$, $b$ 的积为零,那么必有 $a = 0$ 或 $b = 0$ (这是因为二个非零数的积不是零)。通过代入消元,我们化第一个二元二次方程 $x^2 + y^2 = 5$ 为一元二次方程。一元二次方程是很好解的。这样,我们成功地求解了这个方程组。

我们姑且看一下 x^2 - y^2 - 2x + 1\Delta 。这里, A = 1, B = 0, C = -1, D = -1, E = 0, F = 1 。所以

\begin{aligned} \Delta = {} & \begin{vmatrix} 1 & 0 & -1 \\ 0 & -1 & 0 \\ -1 & 0 & 1 \\ \end{vmatrix} \\ = {} & 1 \cdot (-1) \cdot 1 - 1 \cdot 0 \cdot 0 - 0 \cdot 0 \cdot 1 + 0 \cdot 0 \cdot (-1) \\ & \qquad \qquad + (-1) \cdot 0 \cdot 0 - (-1) \cdot (-1) \cdot (-1) \\ = {} & -1 - (-1) \\ = {} & 0 \end{aligned}
You could see the source code here.
我们姑且看一下 $x^2 - y^2 - 2x + 1$ 的 $\Delta$ 。这里, $A = 1$, $B = 0$, $C = -1$, $D = -1$, $E = 0$, $F = 1$ 。所以
$$
\begin{aligned}
    \Delta
    = {} & \begin{vmatrix}
    1 & 0 & -1 \\
    0 & -1 & 0 \\
    -1 & 0 & 1 \\
        \end{vmatrix} \\
    = {} & 1 \cdot (-1) \cdot 1 - 1 \cdot 0 \cdot 0 - 0 \cdot 0 \cdot 1 + 0 \cdot 0 \cdot (-1) \\
    & \qquad \qquad + (-1) \cdot 0 \cdot 0 - (-1) \cdot (-1) \cdot (-1) \\
    = {} & -1 - (-1) \\
    = {} & 0
\end{aligned}
$$

再看一个例。

解方程组

\begin{cases} x^2 + 3y^2 + 2x - 11 = 0, \\ 3x^2 - y^2 - 4x - 3 = 0 \end{cases}

如果我们还想用解上例的方程组的方法解这个方程组,就会发现似乎不太行——二个方程的左侧都无法写为二个一次式的积。具体地,令

\begin{aligned} & f(x,y) = x^2 + 3y^2 + 2x - 11, \\ & g(x,y) = 3x^2 - y^2 - 4x - 3 \end{aligned}

读者不难算出, f(x,y), g(x,y)\Delta 分别是 -36, 13

我们该如何克服这个问题呢?

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再看一个例。
> 解方程组
> $$
 \begin{cases}
 x^2 + 3y^2 + 2x - 11 = 0, \\
 3x^2 - y^2 - 4x - 3 = 0
 \end{cases}
> $$

如果我们还想用解上例的方程组的方法解这个方程组,就会发现似乎不太行——二个方程的左侧都无法写为二个一次式的积。具体地,令
$$
\begin{aligned}
    & f(x,y) = x^2 + 3y^2 + 2x - 11, \\
    & g(x,y) = 3x^2 - y^2 - 4x - 3
\end{aligned}
$$
读者不难算出, $f(x,y)$, $g(x,y)$ 的 $\Delta$ 分别是 $-36$, $13$ 。

我们该如何克服这个问题呢?

或许,读者还记得,加减消元法是解二元一次方程组的一种好方法。

受此启发,我们有如下的命题:

或许,读者还记得,加减消元法是解二元一次方程组的一种好方法。

受此启发,我们有如下的命题:

f(x,y), g(x,y) 都是二元整式。设 k 是数。那么方程组

\begin{cases} f(x,y) = 0, \\ g(x,y) = 0 \end{cases} \tag*{(A)}

跟方程组

\begin{cases} f(x,y) + kg(x,y) = 0, \\ g(x,y) = 0 \end{cases} \tag*{(B)}

有相同的解。

You could see the source code here.
或许,读者还记得,加减消元法是解二元一次方程组的一种好方法。

受此启发,我们有如下的命题:

或许,读者还记得,加减消元法是解二元一次方程组的一种好方法。

受此启发,我们有如下的命题:
> 设 $f(x,y)$, $g(x,y)$ 都是二元整式。设 $k$ 是数。那么方程组
> $$
\begin{cases}
    f(x,y) = 0, \\
    g(x,y) = 0
\end{cases} \tag*{(A)}
> $$
> 跟方程组
> $$
> \begin{cases}
    f(x,y) + kg(x,y) = 0, \\
    g(x,y) = 0
\end{cases} \tag*{(B)}
> $$
> 有相同的解。

它的论证也不难。设 (x_1, y_1) 是方程组 (A) 的解。所以

f(x_1, y_1) = 0, \qquad g(x_1, y_1) = 0

所以

f(x_1, y_1) + kg(x_1, y_1) = 0 + k \cdot 0 = 0

所以 (x_1, y_1) 是方程组 (B) 的解。

反过来,设 (x_2, y_2) 是方程组 (B) 的解。所以

f(x_2, y_2) + kg(x_2, y_2) = 0, \qquad g(x_2, y_2) = 0

所以

f(x_2, y_2) = (f(x_2, y_2) + kg(x_2, y_2)) - k \cdot g(x_2, y_2) = 0 - k \cdot 0 = 0

所以 (x_2, y_2) 是方程组 (A) 的解。

我们刚才证明了:方程组 (A) 的解是方程组 (B) 的解,且方程组 (B) 的解是方程组 (A) 的解。所以,方程组 (A), (B) 必定有相同的解。

You could see the source code here.
它的论证也不难。设 $(x_1, y_1)$ 是方程组 (A) 的解。所以
$$
f(x_1, y_1) = 0, \qquad g(x_1, y_1) = 0
$$
所以
$$
f(x_1, y_1) + kg(x_1, y_1) = 0 + k \cdot 0 = 0
$$
所以 $(x_1, y_1)$ 是方程组 (B) 的解。

反过来,设 $(x_2, y_2)$ 是方程组 (B) 的解。所以
$$
f(x_2, y_2) + kg(x_2, y_2) = 0, \qquad g(x_2, y_2) = 0
$$
所以
$$
f(x_2, y_2) = (f(x_2, y_2) + kg(x_2, y_2)) - k \cdot g(x_2, y_2) = 0 - k \cdot 0 = 0
$$
所以 $(x_2, y_2)$ 是方程组 (A) 的解。

我们刚才证明了:方程组 (A) 的解是方程组 (B) 的解,且方程组 (B) 的解是方程组 (A) 的解。所以,方程组 (A), (B) 必定有相同的解。