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高一專題解析

指數與根式精選八題特訓全集

第 3 題 • 指數立方和化簡(無跳步詳解版)
目標答案:$\frac{43}{7}$
設 $2^{2x} = 7$,則:
$$\frac{2^{3x} + 2^{-3x}}{2^x + 2^{-x}} = \; ?$$
本質:第 1 題的整數版孿生題 秒殺策略:立方和公式因式分解 關鍵轉化:$2^{-2x} = \frac{1}{2^{2x}} = \frac{1}{7}$

條列式無跳步步驟解析

提供兩種經典視角:立方和約分法 vs 分子分母同乘法

1 步驟一:利用立方和乘法公式拆解分子(逐項代換)

乘法公式立方和為:$A^3 + B^3 = (A + B)(A^2 - AB + B^2)$。
在分子中令 $A = 2^x$、$B = 2^{-x}$:

  • $A^3 = (2^x)^3 = 2^{3x}$
  • $B^3 = (2^{-x})^3 = 2^{-3x}$
  • 相加一次項:$A + B = 2^x + 2^{-x}$
  • 平方和項:$A^2 + B^2 = (2^x)^2 + (2^{-x})^2 = 2^{2x} + 2^{-2x}$
  • 相乘交叉項:$AB = 2^x \cdot 2^{-x} = 2^{x + (-x)} = 2^0 = 1$

分子可完整表示為:

$$2^{3x} + 2^{-3x} = (2^x + 2^{-x})\left[(2^x)^2 - 2^x \cdot 2^{-x} + (2^{-x})^2\right]$$ $$= (2^x + 2^{-x})\left(2^{2x} - 1 + 2^{-2x}\right)$$
2 步驟二:代回原分式約分,消除分母共通因式

分子與分母同時含有因式 $(2^x + 2^{-x})$,直接約去:

$$\frac{2^{3x} + 2^{-3x}}{2^x + 2^{-x}} = \frac{\cancel{(2^x + 2^{-x})}(2^{2x} - 1 + 2^{-2x})}{\cancel{2^x + 2^{-x}}} = 2^{2x} - 1 + 2^{-2x}$$
3 步驟三:代入已知條件 $2^{2x} = 7$ 進行通分運算(無跳步通分)

已知 $2^{2x} = 7$,依負指數性質 $2^{-2x} = \frac{1}{2^{2x}} = \frac{1}{7}$。
代入求值並通分:

$$\text{原式} = 2^{2x} - 1 + 2^{-2x}$$ $$= 7 - 1 + \frac{1}{7}$$ $$= 6 + \frac{1}{7}$$ $$= \frac{6 \times 7}{7} + \frac{1}{7}$$ $$= \frac{42}{7} + \frac{1}{7} = \frac{42 + 1}{7} = \frac{43}{7}$$
答案求得
$$\frac{43}{7} \quad \left(\text{化為帶分數為 } 6\frac{1}{7}\right)$$

八大指數與根式題型全景速查對照表

點擊表格任一行即可直接切換至該題的無跳步詳解:

題號 題目條件 所求目標 核心破解策略 最終答案
第 1 題 $a^{2x} = \sqrt{2} + 1$ $\frac{a^{3x}+a^{-3x}}{a^x+a^{-x}}$ 立方和約分消去一階,化為 $a^{2x} - 1 + a^{-2x}$ $2\sqrt{2} - 1$
第 2 題 $a^{2x} = 7 - \sqrt{48}$ $a^{-x} = \frac{1}{a^x}$ 湊 $2\sqrt{12}$ 完全平方式開根號得 $2 + \sqrt{3}$ $2 + \sqrt{3}$
第 3 題 $2^{2x} = 7$ $\frac{2^{3x}+2^{-3x}}{2^x+2^{-x}}$ 立方和約分得 $2^{2x} - 1 + 2^{-2x} = 7 - 1 + \frac{1}{7}$ $\frac{43}{7}$
第 4 題 $x > 1,\, x^{\frac{1}{2}} + x^{-\frac{1}{2}} = 5$ $x + x^{-1}$ 兩邊平方 $(A+B)^2 = A^2+2+B^2$,移項 $25 - 2 = 23$ $23$
第 5 題 $2^x + 2^{-x} = 7$ $8^x + 4^x + 4^{-x} + 8^{-x}$ 分拆為平方組 $(47)$ 與立方組 $(322)$ 相加 $369$
第 6 題 $a > 0,\, a^{3x} + a^{-3x} = 52$ $a^x + a^{-x}$ 與 $a^x$ 換元 $t^3-3t-52=0 \implies t=4$;一元二次解 $2 \pm \sqrt{3}$ $4$ 與 $2 \pm \sqrt{3}$
第 7 題 $a^{\frac{1}{2}} + a^{-\frac{1}{2}} = 3$ $\frac{a^{\frac{3}{2}} + a^{-\frac{3}{2}}}{a + a^{-1}}$ 平方求分母 $7$,立方求分子 $18$,相除得 $\frac{18}{7}$ $\frac{18}{7}$
第 8 題 $x^{\frac{1}{2}} + x^{-\frac{1}{2}} = 3$ $\frac{x^{\frac{3}{2}} + x^{-\frac{3}{2}} + 2}{x + x^{-1} + 3}$ 分子 $18+2=20$,分母 $7+3=10$,相除整除為 $2$ $2$