Matematyka dla liceum/Funkcja kwadratowa/Równania kwadratowe

Z testwiki
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania


Miejsca zerowe trójmianu kwadratowego

Szablon:Indeksuj Szablon:Mat:Tw

Dowód (informacje dodatkowe)

Wyjdźmy z postaci kanonicznej trójmianu, którą już wcześniej udowodniliśmy i przyrównajmy ją do zera, aby znaleźć miejsca zerowe:

a(xp)2+q=0

a(x+b2a)2=Δ4a:a

(x+b2a)2=Δ4a2

Przyjrzyjmy się teraz podanej postaci. Po lewej stronie mamy wyrażenie nieujemne (bo: dowolna liczba (w nawiasie) podniesiona do kwadratu da nam liczbę nieujemną). Po prawej stronie mianownik wyrażenia jest zawsze dodatni (4a2>0). Wszystko więc zależy od licznika. Rozpatrzmy wszystkie przypadki:

1. Gdy Δ<0, to po prawej mamy wartość ujemną (iloraz dodatniej i ujemnej daje ujemną), a skoro po lewej mieliśmy wartość dodatnią - sprzeczność. Równość nie jest spełniona nigdy (w twierdzeniu: nie ma miejsc zerowych).
2. Gdy Δ=0, wyrażenie po prawej stronie przyjmuje wartość zero, otrzymujemy:
(x+b2a)2=0     / Pierwiastkujemy obustronnie
x=b2a
Jest to nasze miejsce zerowe. Zwróć uwagę, że jest to druga współrzędna wierzchołka paraboli funkcji (ponieważ by parabola miała jedno miejsce wspólne z osią OX to wierzchołek musi leżeć na tejże osi OX).
3. Gdy Δ>0, otrzymujemy:
(x+b2a)2=Δ4a2    / Pierwiastkujemy obustronnie i korzystamy z   x2=|x|
|x+b2a|=Δ2a
Rozwiązujemy równanie z wartością bezwzględną:
Przypadek 1: dla x+b2a>0 - opuszczamy moduł bez zmiany znaku.
x1+b2a=Δ2a
x1=Δ2ab2a
x1=Δb2a=b+Δ2a
Przypadek 2: dla x+b2a<0 - opuszczamy moduł ze zmianą znaku:
x2b2a=Δ2a
x2=b2aΔ2a
x2=bΔ2a
więc, dla Δ>0 rozwiązaniami są  x1=b+Δ2a   oraz   x2=bΔ2a.

Równania kwadratowe - w skrócie

Wzory na miejsca zerowe
  • dla  Δ>0  2 miejsca zerowe:  x1=bΔ2a,x2=b+Δ2a,
  • dla  Δ=0   1 miejsce zerowe:   x0=b2a,
  • dla  Δ<0   miejsca zerowe nie istnieją.
Metoda wyłączania wspólnego czynnika
  • równanie postaci np.   x2+x=0
  • przekształcamy do   x(x+1)=0, po czym rozwiązujemy:   x=0   oraz   (x+1) = 0.
Wzory skróconego mnożenia
  • np.  x2+6x+9=0(x+3)2=0
  • np.  x29=0(x+3)(x3)=0
Równanie dwukwadratowe
  • równanie postaci   ax4+bx2+c=0  rozwiązujemy metodą podstawiania,
  • przy założeniu   t=x2   rozwiązujemy  at2+bt+c=0,
  • uzyskane pierwiastki  t1,t2,t3,t4,  które spełniają założenie (tzn. musi być t>0) są pierwiastkami równania dwukwadratowego.

Przykłady - równania kwadratowe

Szablon:Indeksuj Rozwiąż równania:

  • Przykład 1. x23x4=0
  • Przykład 2. x24=0
  • Przykład 3. x26x+9=0
  • Przykład 4. x22x=3x+5
  • Przykład 5. x22x=0
  • Przykład 6. x25x+22=0
  • Przykład 7. x43x24=0 (równanie dwukwadratowe)
  • Przykład 8. x2+6x7=0
  • Przykład 9. x24|x|12=0 (równanie z modułem)

  • Przykład 1

x23x4=0

Każde równanie kwadratowe można rozwiązać wykorzystując wyróżnik trójmianu kwadratowego. W powyższym przykładzie współczynniki a, b oraz c wynoszą:  a=1,b=3,c=4.

Δ=b24ac

Δ=(3)241(4)

Δ=25

Teraz, gdy już wyliczyliśmy deltę, korzystamy ze wzorów na pierwiastki trójmianu kwadratowego (miejsca zerowe).

x1=bΔ2a

x1=(3)2521

x1=352=1

x2=b+Δ2a

x2=(3)+2521

x2=3+52=4

Równanie ma więc dwa rozwiązania: x1=1   i  x2=4 .


  • Przykład 2

x24=0

Powyższe równanie można również rozwiązać przy użyciu delty, gdzie  a=1,b=0,c=4.  Aby jednak pokazać inne metody liczenia pierwiastków trójmianu, skorzystamy ze wzoru skróconego mnożenia:

a2b2=(ab)(a+b) 

Korzystamy z niego i zamieniamy trójmian  x24=0  na postać iloczynową:

(x2)(x+2)=0 

Z tego miejsca już możemy zobaczyć pierwiastki (miejsca zerowe). Jeśli zamiast x podstawimy 2 lub -2, równanie się wyzeruje (sprawdź!). Więc rozwiązaniami są:  2 oraz -2.


  • Przykład 3

x26x+9=0

Powyższe równanie rozwiążemy dwoma sposobami. Przez deltę oraz przez wzór skróconego mnożenia.

Pierwszy sposób - przez deltę:

a=1,b=6,c=9

Δ=(6)2419

Δ=3636=0

Delta jest równa zeru, więc równanie ma jedno rozwiązanie:

x0=b2a

x0=(6)2=3

Drugi sposób - przez wzór skróconego mnożenia:

(ab)2=a22ab+b2 

Przyrównujemy w myślach   x26x+9=0   i   a22ab+b2 ...
(x3)2=x22*1*3+32

Otrzymujemy:

(x3)2=0 

Podobnie jak w poprzednim przykładzie, widzimy miejsca zerowe. Jeśli podstawimy za x cyfrę 3, równanie się wyzeruje. Rozwiązaniem jest więc 3.

Uwaga: rozwiązywanie metodą wzorów skróconego mnożenia ma przydatną zaletę - przyspiesza obliczanie miejsc zerowych, można je niemal znajdować 'w pamięci'. Niestety, nie wszystkie równania dają się rozwiązać tym sposobem (wówczas trzeba wrócić do rozwiązywania z użyciem delty).


  • Przykład 4

x22x=3x+5

Najpierw przenosimy wszystkie wyrazy na jedną stronę (aby mieć 0 po drugiej stronie) i je redukujemy:

x25x5=0

a=1,b=5,c=5

Δ=(5)241(5)=45

x1=(5)452

x1=5352=52325

x2=(5)+452

x2=5+352=52+325

Rozwiązaniami tego równania są liczby    x1=52325,x2=52+325


  • Przykład 5

x22x=0

Powyższy przykład rozwiążemy poprzez wyciągnięcie wspólnego czynnika przed nawias:

(x22x)=0 

x(x2)=0 

Powyższe równanie zachodzi gdy:
x=0   lub   x2=0

Udało się nam więc wyznaczyć rozwiązania wyciągając x przed nawias i uzyskując 2 równania liniowe (których rozwiązania są rozwiązaniami naszego przykładu). Pierwiastkami są więc liczby 0 oraz -2.

Uwaga: powyższy sposób rozumowania będzie niezbędny do rozkładania niektórych wielomianów na czynniki pierwsze. Taki sposób skraca także czas liczenia pierwiastków.


  • Przykład 6

x25x+22=0

Policzmy deltę:

a=1,b=5,c=22

Δ=(5)24122

Δ=2588=63

Wystarczy zauważyć, że  Δ<0  - równanie nie ma więc rozwiązań.


  • Przykład 7

x43x24=0

Powyższe równanie jest równaniem stopnia czwartego i jest nazywane równaniem dwukwadratowym. Można je rozwiązać poprzez wstawienie pomocniczej zmiennej t.

t=x2 

Po podstawieniu otrzymamy następujące wyrażenie:

t23t4=0 

Tym sposobem, możemy rozwiązać pomocnicze równanie kwadratowe, a jego pierwiastki (o ile będą spełniały przyjęte założenie) będą też pierwiastkami równania dwukwadratowego.

Dalej rozwiązujemy, wyznaczając pierwiastki   t1    oraz   t2 .

Δ=(3)241(4)=25

t1=(3)252=1

t2=(3)+252=4

Wyliczyliśmy wartości zmiennych pomocniczych. Jednak mamy policzyć wartość x. Wróćmy więc do równania (a jednośnie naszego założenia):

t=x2 

Jeśli podstawimy obliczone wcześniej wartości, będziemy w stanie policzyć x.

Najpierw, dla t=-1

1=x2 

Otrzymaliśmy następna funkcję kwadratową, która musimy rozwiązać by obliczyć wartość x.

x2+1=0 

Powyższe równanie nie ma pierwiastków, ponieważ Δ<0 Zauważmy, że samo równanie   1=x2    jest sprzeczne - wartość podniesiona do kwadratu nigdy nie będzie liczbą ujemną.

Podstawmy więc drugą wartość t równą 4.

4=x2 

x24=0 

Korzystamy z wzorów skr. mnożenia i otrzymujemy   (x2)(x+2)=0 

Równanie ma dwa rozwiązania: x1=2 i x2=2 (patrz na przykład nr 2).

Po obliczeniu pierwiastków x1 i x2 dochodzimy do wniosku, że całe równanie ma tylko dwa rozwiązania chociaż równanie stopnia czwartego może mieć tych rozwiązań 4. Bardzo ważną rzeczą jest to, że rozwiązania t ujemne nie spełniają równania. Dlatego też przy stawianiu założenia t=x2  można dodać warunek t0. Warunek ten sam wyjdzie podczas podstawiania wartości t (tak jak w przykładzie), jednak taki sposób jest wygodniejszy. Można więc powiedzieć, że równanie dwukwadratowe będzie miało 4 pierwiastki wtedy i tylko wtedy, gdy po podstawieniu zmiennej pomocniczej otrzymamy 2 pierwiastki dodatnie.


  • Przykład 8 (R)

Szablon:MDL:Rozszerzony

x2+6x7=0

Ten przykład zrobimy dosyć nietypowym sposobem. Pomimo, że nie można tutaj zastosować bezpośrednio wzoru skróconego mnożenia to użyjemy go - w "sprytny" sposób. Mianowicie -

Gdybyśmy chcieli to równanie "zwinąć" zgodnie ze wzorami skróconego mnożenia (nie patrząc na wyraz wolny), to widać, że wyszłoby wyrażenie: (x+3)2 Co teraz zrobić, aby równość zaszła? Wystarczy, że odejmiemy "b2, czyli w tym przypadku 9,do tego odejmujemy jeszcze nasze "prawdziwe" 7.

Teraz po kolei liczymy:

(x+3)216=0

(x+3)2=16     / Pierwiastkujemy obustronnie

(x+3)2=16

(x+3)2=4

Korzystamy z własności:   x2=|x|,  po czym zostaje nam obliczyć równanie z wart. bezwzględną.

Szablon:Infobox

|x+3|=4

x1=7,x2=1

W ten sposób policzyliśmy pierwiastki równania w nieco nietypowy sposób. Oczywiście, można przecież wszystko wyliczyć przez deltę, jednak taki sposób bardzo rozwija umiejętność rachowania. Pozwala także zrozumieć "naturę" funkcji kwadratowej oraz rozwija w nas umiejętność logicznego stosowania wzorów skróconego mnożenia. (umiejętności te mogą być przydatne przy rozwiązywaniu równań wielomianowych itd.)


  • Przykład 9 (R)

Szablon:MDL:Rozszerzony

x24|x|12=0

Żeby rozwiązać takie równanie, trzeba rozważyć dwa przypadki. Pierwszy, gdy x0 i drugi, gdy x<0.

1 przypadek dla x0

Opuszczamy wartość bezwzględną bez zmiany znaku:
x24x12=0
Teraz rozwiązujemy tak, jak każde inne równanie. Ważne: na końcu porównujemy rozwiązania z założeniem x0.
Δ=(4)241(12)=64
x1=(4)642=482=2
x2=(4)+642=4+82=6

Wynikami pierwszego przypadku są liczby "-2" i "6". Jednak "-2" nie spełnia naszego początkowego założenia x0, więc nie jest rozwiązaniem.

2 przypadek: dla x<0

Opuszczamy wartość bezwzględną ze zmianą znaku w części pod modułem.
x2+4x12=0
Δ=(4)241(12)=64
x1=4642=482=6
x2=4+642=4+82=2
Teraz x2 nie spełnia naszego założenia x<0, odrzucamy go więc.

Podsumowując, dochodzimy do wniosku, że równanie ma dwa rozwiązania:  x1=6  i  x2=6.


Szablon:Nawigacja