手算平方根的正确方法LiHua

手算平方根的「正确」方法,是什么方法?如果你认为是牛顿迭代法的话,你可以亲自试一下,看看效果如何:

其实牛顿迭代法非常好,在电脑上快得飞起。但是手算就不行了。

那么「正确」的方法是什么呢?是这个:

(原帖同上)

说得神神叨叨的,还能开无限小数,到底是什么方法?帖子里没说。

\(2\)的算术平方根是多少?是\(\sqrt{2}\).不是\(1.41\),也不是\(1.414213\).所以,本文讨论的计算,是以(十进制小数)近似值为主的。准确地说,是不足近似值。

近似值,无论是精确到小数点后1位还是1000位,都是近似值。所以,计算近似值,先得确定精度(即:你算到哪一位/数量级就满意了)。

先讨论对一位数开平方,精确到小数点后1位的情况(以计算\(\sqrt{2}\)为例)。

这一上来就有一个问题:大家都知道\(\sqrt{2}\)精确到一位小数是\(1.4\),但为是么是\(1.4\),不是\(1.3\)或\(1.5\)

显然,\(1.5^2>2\),不是我们要的不足近似值。而\(1.3^2<1.4^2<2\)所以在不过剩的情况下,最接近的(在给定精度范围内的)数是\(1.4\).

既然是这样的话,我们就可以把这个过程「概括」成这样一个问题的求解:

求最大的一位数\(x\),使得不等式\(\overline{1.x}^2\leqslant2\)成立。

求出\(x=4\)后,如果要继续提高精度,那么再求解这个问题:

求最大的一位数\(y\),使得不等式\(\overline{1.4y}^2\leqslant2\)成立。

(精度还可以继续提高)

……

这其实就是大家计算平方根最常用的方法,即「试乘」。但是计算\(\overline{1.x}\)的平方,是多位数乘多位数,不好算。而且随着精度增加,越来越难算(\(\overline{1.414213x}^2\)什么的,想想就要爆炸)。既然硬算不好算,那么就需要技巧。什么技巧呢?我们可以把式子变形一下,来降低运算的规模:

\((1+\frac{x}{10})^2\leqslant2\)(1)

把完全平方展开,得:

\(1+\frac{2x}{10}+\frac{x^2}{100}\leqslant2\)

\(\Leftrightarrow\frac{2x}{10}+\frac{x^2}{100}\leqslant1\)

\(\Leftrightarrow20x+x^2\leqslant100\)

\(\Leftrightarrowx(20+x)\leqslant100\)

\(\Leftrightarrowx\cdot\overline{2x}\leqslant100\)(2)

这样,运算规模就从多位数乘多位数降低到了一位数乘多位数,立马好算了许多。

继续提高精度,求百分位上的数字\(y\):

\((1+\frac{x}{10}+\frac{y}{100})^2\leqslant2\)

\(\Leftrightarrow{\left[(1+\frac{x}{10})+\frac{y}{100}\right]}^2\leqslant2\)

\(\Leftrightarrow(1+\frac{x}{10})^2+2(1+\frac{x}{10})\frac{y}{100}+\frac{y^2}{10000}\leqslant2\)

\(\Leftrightarrow2(1+\frac{x}{10})\frac{y}{100}+\frac{y^2}{10000}\leqslant2-(1+\frac{x}{10})^2\)

\(\Leftrightarrow2(1+\frac{x}{10})\frac{y}{100}+\frac{y^2}{10000}\leqslant2-(1+\frac{2x}{10}+\frac{x^2}{100})\)

\(\Leftrightarrow2(1+\frac{x}{10})\frac{y}{100}+\frac{y^2}{10000}\leqslant1-(\frac{2x}{10}+\frac{x^2}{100})\)

\(\Leftrightarrow20(10+x)y+y^2\leqslant100\left[100-(20x+x^2)\right]\)

\(\Leftrightarrowy\left[20(10+x)+y\right]\leqslant100\left[100-x(20+x)\right]\)

\(\Leftrightarrowy(20\cdot\overline{1x}+y)\leqslant100\left[100-x\cdot\overline{2x}\right]\)

\(\Leftrightarrowy(2\cdot\overline{1x0}+y)\leqslant100\left[100-x\cdot\overline{2x}\right]\)

\(\Leftrightarrowy\cdot\overline{\overline{(2\cdot\overline{1x})}y}\leqslant100\left[100-x\cdot\overline{2x}\right]\)(3)

代入\(x=4\)即可求出\(y\):

\(y\cdot\overline{28y}\leqslant100(100-4\cdot24)\)(4)

我们发现,(3)式的右侧,出现了与(2)式(移项后的一边)相同的部分,这个部分还被乘上了\(100\)。而(3)式左侧,跟\(2\)式左侧形式相同,都是未知数乘以已得到结果序列的两倍在末尾处添上这个未知数(即帖子中所说「多位数的位数是已开方位数加1」)。现在,其实已经可以归纳出规律,描述出一个完整的算法了。

但是,这时有些人就会不服:

**,这些破烂式子,都**什么意思啊?***为什么要把已得到的结果翻一倍啊?把上一步的不等式两边作差,再乘以100,又**是搞什么飞机?

对于这个开方法来说,如果只用代数去推导,确实会让人一头雾水。但是,一但用几何的方法直观地说明一下,这些步骤的意义就会非常明显。看了下面这个几何说明之后,你就会发现,这些看似「无厘头」的步骤,其实都是天经地义的。

看一下这张图(完全平方公式在正数情况下的几何证明):

再看看这张图:

发现什么了吗?

刚才计算\(\sqrt{2}\)近似值的百分位的过程,实际上就是在这个面积为\(2\)的绿色大正方形中,割出一块边长为\(\overline{1.4x}\;(x=0,\;1,\;2,\;\cdots9)\)的小正方形,使\(x\)最大。而这个小正方形又可以被两条互相垂直的线切成四个部分。其中一个是边长为己经算出来的部分(精确到上一位的结果,即\(1.4\))的正方形(蓝色),剩下的是两个矩形(橙色)和一个正方形(粉色)。

整个小正方形的边长是\(\overline{1.4x}\),蓝色正方形的边长为\(1.4\),所以橙色矩形的宽就是\(x\cdot10^{-2}\),长就是\(1.4\),粉色正方形的边长就是\(x\cdot10^{-2}\).

现在我们要求这个百分位,实际上就是要让小正方形在大小不超过大正方形的前提下,边长(面积)达到最大。怎么保证面积不超过大正方形呢?我们从大正方形的面积中减去蓝色正方形的面积,使两个橙色矩形和粉色正方形的面积和不超过这个面积差即可,即:

\(2S_{orange}+S_{pink}\leqslantS_{green}-S_{blue}\)

代入它们的值,可得:

\(2\times1.4\cdot(x\cdot10^{-2})+(x\cdot10^{-2})^2\leqslant2-1.4^2\)

\(\Leftrightarrow2\times1.4\cdot(x\cdot10^{-2})+x^2\cdot10^{-4}\leqslant2-1.4^2\)

\(\Leftrightarrow2\times1.4\cdot(x\cdot10^2)+x^2\leqslant10^4(2-1.4^2)\)

\(\Leftrightarrow20\times14x+x^2\leqslant10^4(2-(1+0.4)^2)\)

\(\Leftrightarrowx(280+x)\leqslant10^4(2-(1+0.8+0.16))\)

\(\Leftrightarrowx\cdot\overline{28x}\leqslant10^4(1-0.96)\)

\(\Leftrightarrowx\cdot\overline{28x}\leqslant100\times(100-96)\)

跟(4)式是不是完全一样?所以,这样一解释,那些步骤的意义就很明显了:

现在,我们就以计算\(\sqrt{3}\)、\(\sqrt{65536}\)和\(\sqrt{\frac{1}{3}}\)为例,完整地描述一下这个算法。

例1计算\(\sqrt{3}\),精确到百分位。

首先,在纸上像这样写出被开方数(被开方数的两位对应结果的一位):

找到结果最高位的值(即,求最大的一位数\(x\),使\(x^2\leqslant3\)),写在横线上的对应位置上:

把\(x^2\)写到这一位下面,像做除法那样画道横线,作个差:

把后面两位的一组数拽下来补到刚算出的差后面:

把已经算出的结果翻倍(如果有小数点的话,还要去掉小数点),写在一旁:

前面添上一条横线和一个乘号,后面添上一条横线和一个小于等于号,得到一个不等式:

在每条横线上填一个尽量大的一位数(两条横线上是同一个数),同时保证不等式成立:

把这个一位数写在上面作为结果:

把乘法的结果写在下面(7×27=189),继续作差:

重复上述过程,直到达到所需精度:

例2计算\(\sqrt{65536}\).

与例1不同的是,这次最后一个不等式是正好取得等号的。取得等号,就说明得数已经是精确结果,不用再往下算了。

例3计算\(\sqrt{\frac{1}{3}}\),精确到千分位。

先把\(\frac{1}{3}\)转换为无限小数\(0.333\cdots\),再开方:

THE END
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