化简 (2a−22a)2\left(\dfrac{2^{a}-\sqrt{2}}{2^{a}}\right)^{2}。 如果 27m3x=127m^{3x}=1 且 m>0m>0,求 m2x+m−xm^{2x}+m^{-x} 的值。

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完整解法

4(a)

1. Separate the fraction and simplify each term using indices

(2a−22a)2=(2a2a−22a)2\left(\dfrac{2^{a}-\sqrt{2}}{2^{a}}\right)^2=\left(\dfrac{2^a}{2^a}-\dfrac{\sqrt2}{2^a}\right)^2
=(1−2122a)2=\left(1-\dfrac{2^{\frac12}}{2^a}\right)^2
=(1−212−a)2=\left(1-2^{\frac12-a}\right)^2

2. Expand the square and simplify powers of 2

(1−212−a)2=1−2(212−a)+(212−a)2\left(1-2^{\frac12-a}\right)^2=1-2\left(2^{\frac12-a}\right)+\left(2^{\frac12-a}\right)^2
=1−21+12−a+22(12−a)=1-2^{1+\frac12-a}+2^{2\left(\frac12-a\right)}
=1−232−a+21−2a=1-2^{\frac32-a}+2^{1-2a}

答案

1−232−a+21−2a1-2^{\frac{3}{2}-a}+2^{1-2a}

4(b)

1. Express the given equation using $m^x$ and solve for $m^x$

27m3x=127m^{3x}=1
m3x=127=133m^{3x}=\frac{1}{27}=\frac{1}{3^3}
Since m>0m>0, mx>0m^x>0.
(mx)3=(13)3(m^x)^3=\left(\frac{1}{3}\right)^3
mx=13m^x=\frac{1}{3}

2. Substitute $m^x=\frac13$ into the required expression

m2x+m−x=(mx)2+1mxm^{2x}+m^{-x}=(m^x)^2+\frac{1}{m^x}
=(13)2+113=\left(\frac{1}{3}\right)^2+\frac{1}{\frac{1}{3}}
=19+3=\frac{1}{9}+3
=289=\frac{28}{9}

答案

103\dfrac{10}{3}

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