A matematikában a négyzetek különbsége olyan kifejezés, amelyben egy kifejezés négyzetéből egy másik kifejezés négyzete kerül kivonásra. Minden ilyen kifejezés a következő elemi algebrai azonosság alapján szorzattá alakítható:
.
Bizonyítás Algebrai Az azonosság bizonyítása rendkívül egyszerű. A zárójel felbontása után a következőt kapjuk: . A szorzás kommutativitása miatt a középső tagok kiesnek: , és marad az, hogy .
Ezen azonosság az egyik leggyakrabban használt a matematikában. Például egyszerűen bizonyítható segítségével a számtani és mértani közép közötti egyenlőtlenség két változó esetén.
A bizonyításból látható, hogy az azonosság bármilyen kommutatív gyűrűben igaz. Ennek megfordítása is igaz, ha egy gyűrű minden elemére igaz az azonosság, akkor a gyűrű kommutatív. Ennek bizonyítása az, hogyha minden a és b elemre fennáll, hogy , akkor az csak úgy lehetséges, ha , amely alapján a gyűrű kommutatív.
Geometriai
A négyzetek különbsége geometriailag is illusztrálható két síkbeli négyzet területével. A képen a sötét rész szimbolizálja a két négyzet területének különbségét (azaz ). Ez a terület azonban kifejezhető két téglalap területeinek összegeként is, amelyből következik, hogy .
Egy másik geometriai bizonyítás a következő: az alsó ábra első képen látható állapottal kezdünk, egy nagyobb négyzet, amelyből egy kisebb négyzet ki lett vágva. A nagy négyzet oldalhossza a, a kivágott négyzet oldalhossza b. A sötét rész területe . Egy vágás felbonthatjuk két téglalapra az ábrát, ahogy a második képen látható. A nagyobb rész szélessége a, magassága a-b. A kisebb rész szélessége a-b, magassága b. A kisebb területet forgatás után a nagyobb terület oldalához illeszthetjük. Az utolsó képen látható ez az elrendezés, amelyben egy két terület együtt egy téglalapot alkot. Ezen téglalap területe . Mivel ezen téglalap az eredeti állapot átrendezésével keletkezett, a két területnek ugyanannyinak kell lennie. Tehát .
Alkalmazás Polinomok szorzattá alakítás és egyszerűsítés Az azonosságot nagyon gyakran lehet polinomok szorzattá alakításához használni, például a kifejezés a következőképpen bontható kifejezések szorzatára: .
A némileg bonyolultabb esetében is hasonlóan járhatunk el: .
Továbbá kifejezések egyszerűsítésére is remekül alkalmazható az azonosság: .
Négyzetek összege komplex számokkal A négyzetek különbségére vonatkozó azonosságot felhasználhatjuk négyzetek összegének szorzattá alakításához komplex számok segítségével.
Például, a szorzattá alakítását a következőképpen végezhetjük el:
(mivel )
Nevező gyöktelenítése Az azonosság segítségével az irracionális nevezőket átalakíthatjuk racionálissá, amellyel megkönnyíthetjük a további algebrai átalakításokat.
Például, ha a tört nevezőjét szeretnénk gyökteleníteni, akkor a következőképpen járhatunk el:
.
Fejszámolás A fejszámolás is meggyorsítható, ha ismerjük az azonosságot. Ha két számot szeretnék összeszorozni, amelyeknek átlaga könnyen négyzetre emelhető, akkor érdemes alkalmazni.
Például, a esetében a következőt tehetjük: .
Egymást követő négyzetszámok különbsége
Azaz két egymást követő négyzetszám különbsége mindig páratlan. Hasonlóan számítható két tetszőleges négyzetszám különbsége is:
Ebből következik, hogy két páros négyzetszám különbsége mindig osztható néggyel, és két páratlan négyzetszám különbsége mindig 8 többszöröse.
Általánosítás Két n-edik hatvány különbsége Az azonosság tetszőleges pozitív egész kitevőre általánosítható. Ha a és b egy kommutatív gyűrű elemei, akkor .
Fordítás
Kategória:Elemi algebra