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乘法公式

乘法公式就是幫我們把常遇到的多項式乘法先算好記下來的捷徑。國中階段要學會三個:和的平方 (a + b)² = a² + 2ab + b²,差的平方 (a − b)² = a² − 2ab + b²,還有平方差 (a + b)(a − b) = a² − b²。這些公式都是利用分配律 (a + b)(c + d) = ac + ad + bc + bd 一步步展開想出來的。

108 課綱把二次式的乘法公式安排在國二學習,這屬於國中數學裡的代數部分。之後要學的因式分解和一元二次方程式都會用到這些公式。至於三次方的乘法公式,是高中一年級才會學的內容,我們把它放在這一頁的後半段。

先看重點

  • 和的平方公式是:(a + b)² = a² + 2ab + b²。
  • 差的平方公式是:(a − b)² = a² − 2ab + b²。
  • 平方差公式是:(a + b)(a − b) = a² − b²。
  • 要特別注意,(a + b)² 是不等於 a² + b² 的,中間的那個 2ab 千萬不能漏掉。

國中的乘法公式

這四個公式都可以用分配律自己展開驗證。分配律就是先乘再相加的規則。例如 (a + b)² = (a + b)(a + b) = a² + ab + ba + b² = a² + 2ab + b²。熟記以後,展開和速算都會快很多。

分配律展開(a + b)(c + d) = ac + ad + bc + bd每一項都要乘到另一個括號的每一項
和的平方(a + b)² = a² + 2ab + b²首平方、加兩倍首尾乘積、加尾平方
差的平方(a − b)² = a² − 2ab + b²和和的平方只差中間的正負號
平方差(a + b)(a − b) = a² − b²中間的 ab 和 −ab 互相抵消

用面積看懂和的平方公式

把邊長 a + b 的正方形,照 a 和 b 的位置切開,會得到四塊:邊長 a 的正方形 a²、邊長 b 的正方形 b²,還有兩塊長 a、寬 b 的長方形,各是 ab。四塊加起來就是整個大正方形的面積,所以 (a + b)² = a² + 2ab + b²。

你看圖就會發現,(a + b)² 裡面比 a² + b² 多了兩塊 ab。所以我們不能把 (a + b)² 直接寫成 a² + b²,因為這樣就少算了那兩塊面積。

a²ababb²abab(a + b)² = a² + 2ab + b²
邊長 a + b 的正方形 = a² + ab + ab + b²

乘法公式題目:展開

套公式時,先認出誰是 a、誰是 b,係數和負號要跟著一起平方。例如 (3x − 2y)² 的 a 是 3x、b 是 2y,a² 是 9x²,不是 3x²。

例 1展開 (2x + 3)²

  1. a = 2x,b = 3
  2. (2x)² + 2 × 2x × 3 + 3² = 4x² + 12x + 9
  3. 我們來檢查一下。把 x 換成 1,左邊的算式變成 (2 + 3)²,算出來是 25。右邊的算式是 4 + 12 + 9,加起來也是 25。兩邊一樣,所以是對的。

答:4x² + 12x + 9

例 2請把 (3x − 2y)² 展開成加減的形式。

  1. 這裡是兩個東西相減再平方。我們把 3x 當作 a,把 2y 當作 b,然後套用「差的平方」公式。
  2. 先算 (3x)² 得到 9x²,再算中間的 2 × 3x × 2y 得到 12xy,最後算 (2y)² 得到 4y²。合起來就是 9x² − 12xy + 4y²。
  3. 我們來檢查一下。把 x 換成 1、y 換成 1,左邊的算式變成 (3 − 2)²,算出來是 1。右邊的算式是 9 − 12 + 4,算出來也是 1。兩邊一樣,所以是對的。

答:9x² − 12xy + 4y²

例 3請把 (x + 5)(x − 5) 展開成加減的形式。

  1. 這裡要用到平方差公式,我們把式子裡的 x 當成公式中的 a,把數字 5 當成公式中的 b。
  2. 把 a 和 b 代進去算,就是 x² − 5² = x² − 25。
  3. 我們來檢查一下有沒有算錯。如果 x = 2,左邊算出來是 7 × (−3) = −21,右邊算出來是 4 − 25 = −21,兩邊一樣,所以答案對了。

答:x² − 25

例 4請把 (x + 2)(x + 3) 展開成簡單的形式。

  1. 這個式子長得跟我們學過的三個公式都不太一樣,所以我們用分配律來算,得到 x² + 3x + 2x + 6。
  2. 把中間那兩項加起來合併同類項,最後變成 x² + 5x + 6。
  3. 檢查一下:當 x = 1 時,左邊 3 × 4 = 12,右邊 1 + 5 + 6 = 12

答:x² + 5x + 6

用乘法公式速算

乘法公式不只用在 x、y 的式子,接近整十、整百的數字相乘,也能拆成好算的樣子。這是國中課本常見的練習,也很適合拿來檢查自己有沒有真的懂公式。

例 1102² = ?

  1. 102 = 100 + 2,用和的平方
  2. 100² + 2 × 100 × 2 + 2² = 10000 + 400 + 4

答:10404

例 299² = ?

  1. 把 99 拆成 100 減 1,這樣就能用「兩個數相減再平方」的公式來計算。
  2. 100² − 2 × 100 × 1 + 1² = 10000 − 200 + 1

答:9801

例 352 × 48 = ?

  1. 把 52 看成 50 + 2,把 48 看成 50 − 2,這樣就能用「平方差」公式,也就是兩數相乘等於兩數平方的差。
  2. 50² − 2² = 2500 − 4

答:2496

例 41001 × 999 = ?

  1. (1000 + 1)(1000 − 1) = 1000² − 1²
  2. 1000000 − 1

答:999999

乘法公式常見錯誤

如果你把乘法公式記錯了,只要隨便代一個數字進去算一算,馬上就能發現不對。舉個例子,有人以為 (a + b)² = a² + b²,我們就拿 a = 3、b = 4 來試試看:(3 + 4)² = 49,但 3² + 4² = 25,中間差的 24 正好是 2 × 3 × 4。

  • 漏掉中間項:(x + 3)² 是 x² + 6x + 9,不是 x² + 9。
  • 係數沒有平方:(2x)² 是 4x²,不是 2x²。
  • 差的平方最後一項寫成負的:(x − 4)² 的最後一項是 +16。
  • 平方差的正負號很容易放錯。算 (a + b)(a − b) 的時候,答案會是 a² − b²,而不是 b² − a²。

三次方乘法公式

三次方的乘法公式在國中課本裡沒有,108 課綱把它安排在高中一年級,和根式、分式的運算一起學。這些公式也都能用分配律(就是把一個數分別乘進括號裡每個項)展開來驗證。例如 (a + b)³ = (a + b)²(a + b),把 a² + 2ab + b² 再乘以 a + b 就會得到。

和的立方、差的立方的係數 1、3、3、1,在高中的二項式定理會看到它的規律。

和的立方(a + b)³ = a³ + 3a²b + 3ab² + b³高中一年級
差的立方(a − b)³ = a³ − 3a²b + 3ab² − b³正負號一項一項交錯
立方和(a + b)(a² − ab + b²) = a³ + b³反過來就是立方和的因式分解
立方差(a − b)(a² + ab + b²) = a³ − b³反過來想,就是立方差公式拆開的方法

三次方乘法公式例題

用三次方公式的時候,跟二次方公式一樣,先找出 a 和 b 分別代表什麼,再把數字代進公式裡算。

例 1把 (x + 2)³ 展開

  1. 這裡 a 就是 x,b 就是 2
  2. x³ + 3 × x² × 2 + 3 × x × 2² + 2³ = x³ + 6x² + 12x + 8
  3. 檢查一下:如果 x = 1,左邊算出來是 3³ = 27,右邊算出來是 1 + 6 + 12 + 8 = 27

答:x³ + 6x² + 12x + 8

例 211³ = ?

  1. 把 11 拆成 10 + 1,然後用「兩個數相加後再立方」的公式
  2. 10³ + 3 × 10² × 1 + 3 × 10 × 1² + 1³ = 1000 + 300 + 30 + 1

答:1331

例 3展開 (x − 1)(x² + x + 1)

  1. a = x,b = 1,是立方差公式
  2. x³ − 1³ = x³ − 1
  3. 我們來檢查一下:當 x = 2 時,算式左邊是 1 × 7 = 7,算式右邊是 8 − 1 = 7,兩邊相等,所以答案對了。

答:x³ − 1

乘法公式和其他單元的關係

乘法公式是把乘積展開,因式分解則是反過來,把展開的式子寫回乘積,兩個單元要一起練。配方法解一元二次方程式,用的就是和的平方、差的平方。多項式的加減乘除整理在多項式。

常見問題

乘法公式有哪些?

國中學三個:和的平方 (a + b)² = a² + 2ab + b²,差的平方 (a − b)² = a² − 2ab + b²,平方差 (a + b)(a − b) = a² − b²,再加上分配律 (a + b)(c + d) = ac + ad + bc + bd。

三次方乘法公式是什麼?

(a + b)³ = a³ + 3a²b + 3ab² + b³,(a − b)³ = a³ − 3a²b + 3ab² − b³,還有立方和、立方差兩個公式,高中一年級學。

乘法公式是幾年級學的?

二次式的乘法公式在 108 課綱排在國中八年級,也就是國二;三次乘法公式在高中一年級。

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