前面我撰文介绍了用扩幂开方术手算开平方,今天讲解如何用扩幂开方术手算开立方。到文章后半段再介绍一下目前通行的手算开立方的方法。
本文中的例题,一般只取四位有效数字。
用扩幂开方术开立方(1)如果被开方数可以写成三个很接近的数相乘的形式,那么其立方根约等于这三个数的平均数,即
如果³√C=√abc,且b/a≈c/a≈1,那么³√C≈(a+b+c)/3
由于一般很难将一个数写成三个比较接近的数相乘的形式,这里就不举例说明了。后面的方法会一直使用这个原则,后面的例题都可以作为此原则例证。
(2)如果被开方数正好是在一个立方数附近,开立方时可以先将被开方数乘以这个立方数两次,使其成为三个比较接近的数相乘的形式,然后再使用(1)的方法开立方。
³√(a³+b)
=³√[(a³+b)×a³×a³]/a/a
≈(a³+b+a³+a³)/3/a²
=(3a³+b)/3a²
=a+b/3a²
即
³√(a³+b)≈a+b/3a²
这个公式是可以直接使用的,而且可以迭代使用。不过不用也行。
例1.求³√28的近似值。
解:在28的附近,27是一个完全立方数,所以
³√28=(³√28×27×27)/3/3
≈(28+27+27)/3/9
≈82/27
≈3.037
当然,也可以直接套用上面的公式来算。
³√28=³√(3³+1)
≈3+1/3×3²
=3 1/27
≈3.037
在精度把控上,为使开方精度能达到四位有效数字,被开方数与其邻近的立方数之间,差距不应大于3%,但在立方根首位数字较小时,差距略大于3%也可以。例1中28与27的差距大于3%,略小于4%,是可以接受的。
(3)如果被开方数并不在某个已知的立方数附近,则可以尝试将被开立方数乘以某个立方数,使其到达另一个立方数附近,然后再使用(2)的方法来开立方。乘以的那个立方数的方根,即扩幂参数,可以参考下面方法算出。
把被开方数写成a³±b的形式,扩幂参数
n=3a²/b(四舍五入取整)
例2.求³√3的近似值。
解:与被开立方数3比较接近的立方数有1和8,但都距离3比较远(几倍),但我们发现,3乘以7³后是1029,距离10³很接近,所以
³√3=(³√3×7³)/7
=(³√1029)/7
=(³√1029×1000×1000)/7/10/10
≈(1029+1000 1000)/3/700
=3029/2100
=30.29/21
≈1.442
例3.求³√10的近似值。
解:³√10=(³√10×6³)/6
=(³√2160×2197×2197)/6/13/13
≈(2160+2197 2197)/3/1014
=6554/3042
≈2.1545
使用这种方法,寻找到合适的立方数是关键。可以用扩幂参数,但扩幂参数未必是最合适的数。
(4)被开方数要乘以的那个立方数,不仅可以是整数,也可以是分数。且看下面的例子
例4.求³√55的近似值。
解:我们注意到55是27的两倍多点,也就是55除以27以后约等于2,2再乘以64以后等于128,与5的立方125比较接近,因此
³√55=(³√55/27×64)×3/4
≈(³√130.37)×3/4
=(³√130.37×125×125)×3/4/5/5
≈(130.37+125+125)/3×3/100
=380.37/100
=3.8037
≈3.803
最后的7为什么不是入,而是舍?因为采用这种方法算出的立方根,总是比真实值略大,运算过程中130.37与125之间的差距已经超过了4%,已经不能保证四位有效数字的精度,实际的立方根的第五位有效数字,不仅小于7,而且很大概率小于5,所以,第五位有效数字那个7应该舍去,不能上入。
相对来说,大多数时候,扩幂开方术比传统的列竖式开立方要简单些,更具实用价值,尤其是被开方数比较小的时候。
类巴比伦法开立方手算开平方的方法中,有一种巴比伦法,也被称为牛顿法,这种方法稍加改造,也可以用于开立方。具体使用方法如下:
对于被开立方的数,先找到比它小和比它大且又比较接近的两个立方数,以这两个数的立方根做因数,求出被开立方数的第三个因数,这三个因数的平均值,就是被开立方数的近似立方根。
一般一次计算的精确度较低,同样方法可以再迭代一次。三个因数之间最大差距不超过3%时,一般都可以达到四位有效数字的精度。
例5.求³√100的近似值。
解:比100小的立方数有64=4³,比100大的立方数有125=5³,我们用4和5做因数,令
100=4×5×a
则a=100/4/5=5
所以
³√100≈(4+5+a)/3≈4.67
三个因数中最小是4,最大是5,差距达到了20%,所以4.67这个近似值,精度是较差的,下一步可以用4.6和4.7做因数,再算一次
100=4.6×4.7×a
a=100/4.6/4.7≈4.6253
(4.6253+4.6 4.7)/3≈4.642
即³√100≈4.642
三个因数中4.6与4.7的差距不到3%,所以计算结果足够达到四位精度。
例6.手撕³√200,精确到四位有效数字。
解:200/5/6≈6.67
(5+6 6.67)/3≈5.89
200/5.8/5.9≈5.8445
(5.8445+5.8 5.9)/3≈5.848
∴³√200≈5.848
使用这种方法时,选择的两个因数不一定非要不同,有时也可以相同,比如当被开方数非常接近某个立方数时,或者当被开方数的立方根非常接近某个确定的数时。
例7.求³√63的近似值。
解:63/4/4=63/16=3.9375
³√63≈(4+4+3.9375)/3
≈3.979
因63非常接近64=4³,所以³√63也必然非常接近4,如果用3做因数,只会增大误差,用两个4做因数,误差比较小。
例8.求³√12的近似值。
解:12=2×2×3
∴³√12≈(2 2 3)/3≈2.33
三个因数中2与3相差已达到50%,所以计算结果误差也较大,且这种算法总是偏大,估计真实立方根应该在2.3附近,下次迭代计算时,两个因数都用2.3。
12/2.3/2.3=12/5.29≈2.2684
∴³√12≈(2.2684+2.3 2.3)/3
≈2.289
例9.计算³√86。(精确到九位有效数字)
解:要求的精度虽高,但也只需多迭代一次而已。
86/4/5=4.3
(4+5+4.3)/3≈4.43
86/4.4/4.4≈4.4421
(4.4421+4.4 4.4)≈4.414
86/4.414/4.414≈4.414014887
(4.414014887+4.414+4.414)/3
≈4.41400496
∴³√86≈4.41400496
即便九位有效数字的立方根,用这种方法也不难算出来,而如果用传统的长除式来开立方,光用0补位也要补到26位,没三两个小时,恐怕算不出来。
传统的手算开立方目前最常用的手算开立方,是类似开平方那种长除式,要开出四位有效数字,已经算一项巨大工程了,要开八九位有效数字,常人根本没那个耐心完成。这里贴出一个开立方法的图解,有兴趣详细了解的,可以自己到网上搜索,这里就不详述了。
图解上仅仅是开出三位有效数字,就已经这么麻烦了,你能设想开八位有效数字是什么场景吗?
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