平方根

在數學中，一個數 $x$ 的平方根 $y$ 指的是滿足 $y^{2}=x$ 的數，即平方結果等於 $x$ 的數。例如，4和-4都是16的平方根，因为 $4^{2}=(-4)^{2}=16$ 。

任意非負實數 $x$ 都有唯一的非負平方根，称为算术平方根或主平方根（英語：principal square root），記為 ${\sqrt {x}}$ ，其中的符号 ${\sqrt {\quad }}$ 称作根号。例如，9的算术平方根为3，记作 ${\sqrt {9}}=3$ ，因为 $3^{2}=3\times 3=9$ 并且3非负。被求平方根的数称作被开方数（英語：radicand），是根号下的数字或者表达式，即例子中的数字9。

正数 $x$ 有兩個互为相反数的平方根：正数 ${\sqrt {x}}$ 与负数 $-{\sqrt {x}}$ ，可以将两者一起记为 $\pm {\sqrt {x}}$ 。

負數的平方根在複數系中有定義。而實際上，對任何定義了開平方運算的數學物件都可考慮其“平方根”（例如矩陣的平方根）。

在MicroSoft的試算表軟體Excel與大部分程式語言中以 "sqrt()"表示求主平方根。

历史

耶鲁大学的巴比伦藏品YBC 7289是一块泥板，制作于前1800年到前1600年之间。泥板上是一个画了两条对角线正方形，标注了 ${\sqrt {2}}$ 的六十进制数字 1;24,51,10。^[1]六十进制的 1;24,51,10 即十进制的 1.41421296，精确到了小数点后5位（1.41421356...）。

莱因德数学纸草书大约成书于前1650年，内容抄写自更早年代的教科书。书中展示了埃及人使用反比法求平方根的过程。^[2]

古印度的《绳法经》大约成书于前800年到前500年之间，书中记载了将2的平方根的计算精确到小数点后5位的方法。

古希腊的《几何原本》大约成书于前380年，书中还阐述了如果正整数不是完全平方数，那么它的平方根就一定是无理数——一种无法以两个整数的比值表示的数（无法写作m/n，其中m和n是整数）。^[3]

中国的《书》成书于汉朝（约前202年到前186年之间），书中介绍了使用盈不足术求平方根的方法。

古代未有劃一的平方根符號時，人們通常使用他們語言內開方這個字的首個字母的變型作為開方號。

中世紀時，拉丁語中的latus（正方形邊）的首個字母“L”被不少歐洲人採用；亨利·布里格斯在其著作《Arithmetica Logarithmica》中則用橫線當成latus的簡寫，在被開方的數下畫一線。

最有影響的是拉丁語的radix（平方根），1220年Leconardo在《Practica geometriae》中使用℞（R右下角的有一斜劃，像P和x的合體）；⎷（沒有上面的橫劃）是由克里斯多福·魯登道夫在1525年的書Coss首次使用，據說是小寫r的變型；后来数学家笛卡尔给其加上线括号，但与前面的方根符号是分开的（即“⎷‾”），因此在复杂的式子中它显得很乱。直至18世纪中叶，数学家卢贝将前面的方根符号与线括号一笔写成，并将根指数写在根号的左上角，以表示高次方根（当根指数为2时，省略不写），从而形成了现在人們熟知的开方运算符号 ${\sqrt[{n}]{\,\,}}$ 。

正數

$x$ 的平方根亦可用指數表示，如：

x^{\frac {1}{2}}={\sqrt {x}}

$x$ 的絕對值可用 $x^{2}$ 的算數平方根表示：

|x|={\sqrt {x^{2}}}\left(={\begin{cases}x&(x\geq 0)\\-x&(x<0)\end{cases}}\right)

若正整數 $x$ 是平方數，則其平方根是整數。若正整數 $x$ 不是平方數，則其平方根是無理數。

對於正數 $x$ 、 $y$ ，以下式成立：

{\begin{aligned}{\sqrt {x}}{\sqrt {y}}&={\sqrt {xy}}\\{\frac {\sqrt {x}}{\sqrt {y}}}&={\sqrt {\frac {x}{y}}}\end{aligned}}

负数与複數

正数和负数的平方都是正数，0的平方是0，因此负数没有实数平方根。然而，我们可以把我们所使用的数字集合扩大，加入负数的平方根，这样的集合就是複數。首先需要引入一个实数集之外的新数字，记作 $i$ （也可以记作 $j$ ，比如电学场景中 $i$ 一般表示电流），称之为虚数单位，定义即为 $i^{2}=-1$ ，故 $i$ 是-1的平方根，而且 $(-i)^{2}=i^{2}=-1$ ，所以 $-i$ 也是-1的平方根。通常称-1的算术平方根是 $i$ ，如果 $x$ 是任意非负实数，则 $-x$ 的算术平方根就是：

{\sqrt {-x}}=i{\sqrt {x}}

例如-5的平方根有两个，它们分别为 ${\sqrt {5}}i$ 和 $-{\sqrt {5}}i$ 。

之所以等式右侧（包括其对应的负值）是 $-x$ 的算术平方根，是因为：

(i{\sqrt {x}})^{2}=i^{2}({\sqrt {x}})^{2}=(-1)x=-x

负数的兩個平方根为一对共轭的纯虚数。

對於負數 $x$ 、 $y$ ，以下式成立：

{\begin{aligned}{\sqrt {x}}{\sqrt {y}}&={\sqrt {-x}}\,i\times {\sqrt {-y}}\,i={\sqrt {xy}}\,i^{2}=-{\sqrt {xy}}\\{\frac {\sqrt {x}}{\sqrt {y}}}&={\frac {{\sqrt {-x}}i}{{\sqrt {-y}}i}}={\sqrt {\frac {-x}{-y}}}={\sqrt {\frac {x}{y}}}\end{aligned}}

虚数的算术平方根

虚数 $i$ 的算术平方根可以根据以下公式计算：

{\sqrt {i}}={\frac {\sqrt {2}}{2}}+i{\frac {\sqrt {2}}{2}}={\frac {\sqrt {2}}{2}}(1+i)

这个公式可以通过用代数方法推导，只需找到特定的实数 $a$ 和 $b$ ，满足

{\begin{aligned}i&=(a+bi)^{2}\\&=a^{2}+2abi-b^{2}\end{aligned}}

就可以得到方程组

{\begin{cases}2ab=1\\a^{2}-b^{2}=0\end{cases}}

的解：

a=b=\pm {\frac {\sqrt {2}}{2}}

其中，算术平方根即为

a=b={\frac {\sqrt {2}}{2}}

这个公式还可以通过棣莫弗公式得到，设

i=\cos \left({\frac {\pi }{2}}\right)+i\sin \left({\frac {\pi }{2}}\right)

就可以推出

{\begin{aligned}{\sqrt {i}}&=\left[\cos \left({\frac {\pi }{2}}\right)+i\sin \left({\frac {\pi }{2}}\right)\right]^{\frac {1}{2}}\\&=\cos \left({\frac {\pi }{4}}\right)+i\sin \left({\frac {\pi }{4}}\right)\\&={\frac {\sqrt {2}}{2}}+i{\frac {\sqrt {2}}{2}}\\&={\frac {\sqrt {2}}{2}}(1+i)\end{aligned}}

复数的算术平方根

对于任何一个非零的复数 $z$ 都存在两个複数 $w$ 使得 $w^{2}=z$ 。

首先，我们将复数 $x+iy$ 看作是平面上的点，即笛卡尔坐标系中的 $(x,y)$ 点。这个点也可以写作极坐标的 $(r,\varphi )$ ，其中 $r\geq 0$ ，是该点到坐标原点的距离， $\varphi$ 则是从原点到该点的直线与实数坐标轴（ $x$ 轴）的夹角。复分析中，通常把该点记作 $re^{i\varphi }$ 。如果

z=re^{i\varphi },-\pi <\varphi \leq \pi

那么我们将 $z$ 的算术平方根定义为：

{\sqrt {z}}={\sqrt {r}}e^{\frac {i\varphi }{2}}

因此，平方根函数除了在非正实数轴上以外是处处全纯的。 ${\sqrt {1+x}}$ 的泰勒级数也适用于复数 $x(\left\vert x\right\vert <1)$ 。

上面的公式还可以用三角函数的形式表达：

{\sqrt {r\left(\cos \varphi +i\sin \varphi \right)}}={\sqrt {r}}\left(\cos {\frac {\varphi }{2}}+i\sin {\frac {\varphi }{2}}\right)

代数公式

如果使用笛卡尔坐标的形式表达复数 z，其算术平方根可以使用如下公式：^[4]^[5]

{\sqrt {z}}={\sqrt {\frac {|z|+\Re (z)}{2}}}\pm i{\sqrt {\frac {|z|-\Re (z)}{2}}}

其中，方根虚部的符号与被开方数虚部的符号相同（为0时取正）；主值（英语：Principal value）实部永远非负。

在虛數裡，平方根函數的值不是連續的，以下等式不一定成立：

${\sqrt {zw}}={\sqrt {z}}{\sqrt {w}}$
${\frac {\sqrt {w}}{\sqrt {z}}}={\sqrt {\frac {w}{z}}}$
${\sqrt {z^{*}}}=\left({\sqrt {z}}\right)^{*}$

所以這是錯誤的：

-1=i\cdot i={\sqrt {-1}}\cdot {\sqrt {-1}}={\sqrt {(-1)\cdot (-1)}}={\sqrt {1}}=1

多项式

例：若 $x\in \mathbb {R}$ ， ${\sqrt {x^{4}+2x^{2}+1}}={\sqrt {(x^{2}+1)^{2}}}=|x^{2}+1|=x^{2}+1\,\!$

2的算术平方根

數學史中，最重要的平方根可以說是 ${\sqrt {2}}$ ，它代表邊長為1的正方形的對角線長，是第一個公認的無理數，也叫毕达哥拉斯常数，其值到小數點14位約為1.4142135623731。

${\sqrt {2}}$ 是無理數，可由歸謬法證明：

設 ${\sqrt {2}}$ 為有理數，可表示為 ${\frac {p}{q}}$ ，其中 $p$ 、 $q$ 為互質之正整數。
因為 $\left({\sqrt {2}}\right)^{2}={\frac {p^{2}}{q^{2}}}=2$ ，故 $p^{2}$ 是2的倍數， $p$ 也是2的倍數，記為 $2k$ ，其中 $k$ 為正整數。
但是 $2q^{2}=p^{2}=4k^{2}$ ，故 $q^{2}=2k^{2}$ ， $q^{2}$ 是2的倍數， $q$ 也是2的倍數。
依上兩式， $p$ 、 $q$ 都是2的倍數，和 $p$ 、 $q$ 為互質之正整數的前題矛盾。依歸謬法，得證 ${\sqrt {2}}$ 不是有理數，即 ${\sqrt {2}}$ 是無理數。

計算方法

因數計算

${\sqrt {24}}={\sqrt {2^{2}\cdot 6}}={\sqrt {2^{2}}}{\sqrt {6}}=2{\sqrt {6}}$ 。

注意，6 的质因数分解为 2 × 3，不能写成某个数的平方，因此 $2{\sqrt {6}}$ 就是最简结果。

中算开方

《九章算术》和《孙子算经》都有筹算的开方法。宋代数学家贾宪发明释锁开平方法、增乘开平方法；明代数学家王素文，程大位发明珠算开平方法，而朱载堉《算学新说》首创用81位算盘开方，精确到25位数字^[6]。

長除式算法

長除式算平方根的方式也稱為直式開方法，原理是 $.(a+b)^{2}=a^{2}+2ab+b^{2}=a^{2}+(2a+b)b$ 。

首先將要開平方根的數從小數點分別向右及向左每兩個位一組分開，如98765.432內小數點前的65是一組，87是一組，9是一組，小數點後的43是一組，之後是單獨一個2，要補一個0而得20是一組。如1 04.85 73得四組，順序為1' 04. 85' 73'。
將最左的一組的數減去最接近又少於它的平方數，並將該平方數的開方（應該是個位數）記下。
將上一步所得之差乘100，和下一組數加起來。
將記下的數乘20，然後將它加上某個個位數，再乘以該個個位數，令這個積不大於但最接近上一步所得之差，並將該個個位數記下，且將上一步所得之差減去所得之積。
記下的數一次隔兩位記下。
重覆第3步，直到找到答案。
可以在數字的最右補上多組的00'以求得理想的精確度為止。

下面以 ${\sqrt {200}}$ 為例子：

${\begin{array}{ll}\quad {\color {Red}1}~~{\color {Green}4}.~~{\color {Blue}1}~~{\color {Purple}4}~~{\color {Orange}2}\\{\sqrt {2|00.00|00|00}}\\\quad {\underline {1\quad ~}}&\quad {\color {Red}1}\times {\color {Red}1}\leq 2\\\quad 1~00&a={\color {Red}1}0,b={\color {Green}4}\\\quad {\underline {~~\,96\quad ~}}&\quad \Rightarrow (2a+b)b=2{\color {Green}4}\times {\color {Green}4}=96\leq 100\\\qquad ~4~00&a={\color {Red}1}{\color {Green}4}0,b={\color {Blue}1}\\\qquad ~{\underline {2~81\quad ~}}&\quad \Rightarrow (2a+b)b=28{\color {Blue}1}\times {\color {Blue}1}=281\leq 400\\\qquad ~1~19~00&a={\color {Red}1}{\color {Green}4}{\color {Blue}1}0,b={\color {Purple}4}\\\qquad ~{\underline {1~12~96\quad ~}}&\quad \Rightarrow (2a+b)b=282{\color {Purple}4}\times {\color {Purple}4}=11296\leq 11900\\\qquad \quad ~~6~04~00&a={\color {Red}1}{\color {Green}4}{\color {Blue}1}{\color {Purple}4}0,b={\color {Orange}2}\\\qquad \quad ~~{\underline {5~65~64}}&\quad \Rightarrow (2a+b)b=2828{\color {Orange}2}\times {\color {Orange}2}=56564\leq 60400\\\qquad \quad \quad ~\,38~36\\\end{array}}$

${\sqrt {200}}\approx 14.14213562373095048801668872421$

四捨五入得答案為14.14。

事實上，將算法稍作改動，可以開任何次方的根，詳見n次方算法。

利用高精度长式除法可以计算出1至20的平方根如下：

${\sqrt {1}}$	$=\,$	1
${\sqrt {2}}$	$\approx$	1.4142135623 7309504880 1688724209 6980785696 7187537694 8073176679 7379907324 78462
${\sqrt {3}}$	$\approx$	1.7320508075 6887729352 7446341505 8723669428 0525381038 0628055806 9794519330 16909
${\sqrt {4}}$	$=\,$	2
${\sqrt {5}}$	$\approx$	2.2360679774 9978969640 9173668731 2762354406 1835961152 5724270897 2454105209 25638
${\sqrt {6}}$	$\approx$	2.4494897427 8317809819 7284074705 8913919659 4748065667 0128432692 5672509603 77457
${\sqrt {7}}$	$\approx$	2.6457513110 6459059050 1615753639 2604257102 5918308245 0180368334 4592010688 23230
${\sqrt {8}}$	$\approx$	2.8284271247 4619009760 3377448419 3961571393 4375075389 6146353359 4759814649 56924
${\sqrt {9}}$	$=\,$	3
${\sqrt {10}}$	$\approx$	3.1622776601 6837933199 8893544432 7185337195 5513932521 6826857504 8527925944 38639
${\sqrt {11}}$	$\approx$	3.3166247903 5539984911 4932736670 6866839270 8854558935 3597058682 1461164846 42609
${\sqrt {12}}$	$\approx$	3.4641016151 3775458705 4892683011 7447338856 1050762076 1256111613 9589038660 33818
${\sqrt {13}}$	$\approx$	3.6055512754 6398929311 9221267470 4959462512 9657384524 6212710453 0562271669 48293
${\sqrt {14}}$	$\approx$	3.7416573867 7394138558 3748732316 5493017560 1980777872 6946303745 4673200351 56307
${\sqrt {15}}$	$\approx$	3.8729833462 0741688517 9265399782 3996108329 2170529159 0826587573 7661134830 91937
${\sqrt {16}}$	$=\,$	4
${\sqrt {17}}$	$\approx$	4.1231056256 1766054982 1409855974 0770251471 9922537362 0434398633 5730949543 46338
${\sqrt {18}}$	$\approx$	4.2426406871 1928514640 5066172629 0942357090 1562613084 4219530039 2139721974 35386
${\sqrt {19}}$	$\approx$	4.3588989435 4067355223 6981983859 6156591370 0392523244 4936890344 1381595573 28203
${\sqrt {20}}$	$\approx$	4.4721359549 9957939281 8347337462 5524708812 3671922305 1448541794 4908210418 51276

牛頓法

如果要求 $S\,(S>1)$ 的平方根，選取 $1\,<\,x_{0}\,<\,S$

x_{n+1}={\frac {1}{2}}\left(x_{n}+{\frac {S}{x_{n}}}\right)

例子：求 ${\sqrt {125348}}$ 至6位有效數字。

x_{0}=3^{6}=729.000\,\!

x_{1}={\frac {1}{2}}\left(x_{0}+{\frac {S}{x_{0}}}\right)={\frac {1}{2}}\left(729.000+{\frac {125348}{729.000}}\right)=450.472

x_{2}={\frac {1}{2}}\left(x_{1}+{\frac {S}{x_{1}}}\right)={\frac {1}{2}}\left(450.472+{\frac {125348}{450.472}}\right)=364.365

x_{3}={\frac {1}{2}}\left(x_{2}+{\frac {S}{x_{2}}}\right)={\frac {1}{2}}\left(364.365+{\frac {125348}{364.365}}\right)=354.191

x_{4}={\frac {1}{2}}\left(x_{3}+{\frac {S}{x_{3}}}\right)={\frac {1}{2}}\left(354.191+{\frac {125348}{354.191}}\right)=354.045

x_{5}={\frac {1}{2}}\left(x_{4}+{\frac {S}{x_{4}}}\right)={\frac {1}{2}}\left(354.045+{\frac {125348}{354.045}}\right)=354.045

因此 ${\sqrt {125348}}\approx 354.045$ .

連分數

平方根可以简便地用连分数的形式表示，关于连分数请见连分数，其中1至20的算术平方根分别可用连分数表示为：
${\sqrt {1}}=1$
${\sqrt {2}}=[1;2,2,2,2...]$
${\sqrt {3}}=[1;1,2,1,2...]$
${\sqrt {4}}=2$
${\sqrt {5}}=[2;4,4,4,4...]$
${\sqrt {6}}=[2;2,4,2,4...]$
${\sqrt {7}}=[2;1,1,1,4,1,1,1,4...]$
${\sqrt {8}}=[2;1,4,1,4...]$
${\sqrt {9}}=3$
${\sqrt {10}}=[3;6,6,6,6...]$
${\sqrt {11}}=[3;3,6,3,6...]$
${\sqrt {12}}=[3;2,6,2,6...]$
${\sqrt {13}}=[3;1,1,1,1,6,1,1,1,1,6...]$
${\sqrt {14}}=[3;1,2,1,6,1,2,1,6...]$
${\sqrt {15}}=[3;1,6,1,6...]$
${\sqrt {16}}=4$
${\sqrt {17}}=[4;8,8,8,8...]$
${\sqrt {18}}=[4;4,8,4,8...]$
${\sqrt {19}}=[4;2,1,3,1,2,8,2,1,3,1,2,8...]$
${\sqrt {20}}=[4;2,8,2,8...]$

连分数部分均循环，省略号前为2或4个循环节。

巴比倫方法

主条目：巴比倫方法（英语：Babylonian method）

巴比伦求平方根的算法实际上很简单：（假设要求一个数N的平方根）

预测一个平方根 $x$ ，初始另一个值 $y$ ，且 $xy=N$
求预测值与初始值的均值： $x={\frac {x+y}{2}}$ , $y={\frac {N}{x}}$
比较 $x$ 和 $y$ 的差值是否达到精度，如果无，继续步骤

重複的算術運算

這個方法是從佩爾方程演變過來的，它通過不斷減去奇數來求得答案。

尺规作图

問題

給定線段AB和1，求一條長為 ${\sqrt {AB}}$ 的線段。

解法

畫線AB，延長BA至C使 $AC=1$
以BC的中點為圓心，OC為半徑畫圓
過A畫BC的垂直線，垂直線和圓弧交於D，AD即為所求之長度

證明

將整個過程搬到直角座標上，已知AC=1，設

O= $(0,0)$
AB= $n$

直徑為BC的圓就是 $x^{2}+y^{2}=\left({\frac {n+1}{2}}\right)^{2}$ （圓的方程式： $x^{2}+y^{2}=r^{2}$ ）（其中 $r$ 表示半径。）
將 $\left({\frac {n+1}{2}}-1\right)$ （A,D所在的x座標）代入上面的方程式
$\left({\frac {n+1}{2}}-1\right)^{2}+y^{2}=\left({\frac {n+1}{2}}\right)^{2}$
解方程，得 $y={\sqrt {n}}$ 。

另也可参见射影定理。

参见

外部链接

Earliest Uses of Symbols of Operation（英文）
The History of Mathematical Symbols: The radical symbol
开方公式的推导（页面存档备份，存于互联网档案馆）
平方根計算器（页面存档备份，存于互联网档案馆）（英文）

參考資料

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^ Anglin, W.S. (1994). Mathematics: A Concise History and Philosophy. New York: Springer-Verlag.
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^ Cooke, Roger. Classical algebra: its nature, origins, and uses. John Wiley and Sons. 2008: 59. ISBN 0-470-25952-3. （原始内容存档于2016-04-23）.
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