有理化

数学において、有理化（ゆうりか、英: rationalization）とは、根号を含む式（とくに平方根を含む分数式の分母または分子）から根号を取り除く式変形のことである。根号を持つ無理数（代数的無理数）を有理数に変える操作であることからこの名がある。

概要

有理化をすることで計算がしやすくなったりする。例えば

[math]\frac{1}{2+\sqrt{3}}=\frac{1(2-\sqrt{3})}{(2+\sqrt{3})(2-\sqrt{3})}=\frac{2-\sqrt{3}}{4-3}={2-\sqrt{3}}[/math]

などがあげられる。

抽象代数学的にはこの例は、Q を有理数体、d ∈ Q が有理数の平方ではないとしたとき

[math]\mathbb{Q}(\sqrt{d}) = \left\{ \frac{a + b\sqrt{d}}{a' + b'\sqrt{d}} \,\Big|\, a,a',b,b' \in \mathbb{Q} \right\} [/math]

という Q の二次拡大体を考えると、

[math]\mathbb{Q}(\sqrt{d}) = \mathbb{Q}[\sqrt{d}] (= \{ a + b\sqrt{d} \mid a,b \in \mathbb{Q}\})[/math]

が成り立つ、という主張に一般化できる。

これは K = Q(√d) の各元 a + b√d に対し、その拡大 K/Q に関する共役元 a − b√d を掛ければ

[math]N(a+b\sqrt{d}) := (a+b\sqrt{d})(a-b\sqrt{d}) = a^2-b^2d [/math]

（この N(a + b√d) は a + b√d の（拡大 K/Q に関する）ノルムと呼ばれる。）が Q に属すということからまさに有理化によって 証明されるわけである。

一般に、体 K の（有限次ガロア）拡大体 L の元に対し、その元の拡大 L/K に関する共役元（二次拡大ではただ一つだが、一般には複数ある）をすべて掛け合わせたものを、その元のノルムとよぶが、ノルムは下の体 K に属する。したがって同様のこと、つまり有理化は共役元が全て計算できるならば、二次拡大に限らず行える。

実数化

Q 以外の体の拡大についても同様のことができる。たとえば、Q を実数体 R にとりかえ、d = −1 としてみよう。

[math]\mathbb{C} = \mathbb{R}(\sqrt{-1}) = \{ a + b\sqrt{-1} \mid a,b \in \mathbb{R}\}[/math]

（ここで、√−1 は虚数単位のことである。）であって、各元（つまり複素数）α = a + b√−1 の C/R に関する共役元とは共役複素数 a − b√−1 のことであるということに注意して、そのノルムを計算すると

[math]N(\alpha) = \alpha\bar{\alpha} = (a+b\sqrt{-1})(a-b\sqrt{-1}) = a^2 + b^2[/math]

は R に属する。したがってたとえば、

[math]\frac{1}{2+\sqrt{-1}}=\frac{1(2-\sqrt{-1})}{(2+\sqrt{-1})(2-\sqrt{-1})}=\frac{2-\sqrt{-1}}{4+1}=\frac{2-\sqrt{-1}}{5}[/math]

などの変形が可能である。このような変形を（分母の）実数化ということがある。