Решение квадратных уравнений
6 июля 2011
Квадратные уравнения изучают в 8 классе, поэтому ничего сложного здесь нет. Умение решать их совершенно необходимо.
Квадратное уравнение — это уравнение вида ax2 + bx + c = 0, где коэффициенты a, b и c — произвольные числа, причем a ≠ 0.
Прежде, чем изучать конкретные методы решения, заметим, что все квадратные уравнения можно условно разделить на три класса:
- Не имеют корней;
- Имеют ровно один корень;
- Имеют два различных корня.
В этом состоит важное отличие квадратных уравнений от линейных, где корень всегда существует и единственен. Как определить, сколько корней имеет уравнение? Для этого существует замечательная вещь — дискриминант.
Дискриминант
Пусть дано квадратное уравнение ax2 + bx + c = 0. Тогда дискриминант — это просто число D = b2 − 4ac.
Эту формулу надо знать наизусть. Откуда она берется — сейчас неважно. Важно другое: по знаку дискриминанта можно определить, сколько корней имеет квадратное уравнение. А именно:
- Если D < 0, корней нет;
- Если D = 0, есть ровно один корень;
- Если D > 0, корней будет два.
Обратите внимание: дискриминант указывает на количество корней, а вовсе не на их знаки, как почему-то многие считают. Взгляните на примеры — и сами все поймете:
Задача. Сколько корней имеют квадратные уравнения:
- x2 − 8x + 12 = 0;
- 5x2 + 3x + 7 = 0;
- x2 − 6x + 9 = 0.
Выпишем коэффициенты для первого уравнения и найдем дискриминант:
a = 1, b = −8, c = 12;
D = (−8)2 − 4 · 1 · 12 = 64 − 48 = 16
Итак, дискриминант положительный, поэтому уравнение имеет два различных корня. Аналогично разбираем второе уравнение:
a = 5; b = 3; c = 7;
D = 32 − 4 · 5 · 7 = 9 − 140 = −131.
Дискриминант отрицательный, корней нет. Осталось последнее уравнение:
a = 1; b = −6; c = 9;
D = (−6)2 − 4 · 1 · 9 = 36 − 36 = 0.
Дискриминант равен нулю — корень будет один.
Обратите внимание, что для каждого уравнения были выписаны коэффициенты. Да, это долго, да, это нудно — зато вы не перепутаете коэффициенты и не допустите глупых ошибок. Выбирайте сами: скорость или качество.
Кстати, если «набить руку», через некоторое время уже не потребуется выписывать все коэффициенты. Такие операции вы будете выполнять в голове. Большинство людей начинают делать так где-то после 50-70 решенных уравнений — в общем, не так и много.
Корни квадратного уравнения
Теперь перейдем, собственно, к решению. Если дискриминант D > 0, корни можно найти по формулам:
Когда D = 0, можно использовать любую из этих формул — получится одно и то же число, которое и будет ответом. Наконец, если D < 0, корней нет — ничего считать не надо.
Задача. Решить квадратные уравнения:
- x2 − 2x − 3 = 0;
- 15 − 2x − x2 = 0;
- x2 + 12x + 36 = 0.
Первое уравнение:
x2 − 2x − 3 = 0 ⇒ a = 1; b = −2; c = −3;
D = (−2)2 − 4 · 1 · (−3) = 16.
D > 0 ⇒ уравнение имеет два корня. Найдем их:
Второе уравнение:
15 − 2x − x2 = 0 ⇒ a = −1; b = −2; c = 15;
D = (−2)2 − 4 · (−1) · 15 = 64.
D > 0 ⇒ уравнение снова имеет два корня. Найдем их
[begin{align} & {{x}_{1}}=frac{2+sqrt{64}}{2cdot left( -1 right)}=-5; \ & {{x}_{2}}=frac{2-sqrt{64}}{2cdot left( -1 right)}=3. \ end{align}]
Наконец, третье уравнение:
x2 + 12x + 36 = 0 ⇒ a = 1; b = 12; c = 36;
D = 122 − 4 · 1 · 36 = 0.
D = 0 ⇒ уравнение имеет один корень. Можно использовать любую формулу. Например, первую:
[x=frac{-12+sqrt{0}}{2cdot 1}=-6]
Как видно из примеров, все очень просто. Если знать формулы и уметь считать, проблем не будет. Чаще всего ошибки возникают при подстановке в формулу отрицательных коэффициентов. Здесь опять же поможет прием, описанный выше: смотрите на формулу буквально, расписывайте каждый шаг — и очень скоро избавитесь от ошибок.
Неполные квадратные уравнения
Бывает, что квадратное уравнение несколько отличается от того, что дано в определении. Например:
- x2 + 9x = 0;
- x2 − 16 = 0.
Несложно заметить, что в этих уравнениях отсутствует одно из слагаемых. Такие квадратные уравнения решаются даже легче, чем стандартные: в них даже не потребуется считать дискриминант. Итак, введем новое понятие:
Уравнение ax2 + bx + c = 0 называется неполным квадратным уравнением, если b = 0 или c = 0, т.е. коэффициент при переменной x или свободный элемент равен нулю.
Разумеется, возможен совсем тяжелый случай, когда оба этих коэффициента равны нулю: b = c = 0. В этом случае уравнение принимает вид ax2 = 0. Очевидно, такое уравнение имеет единственный корень: x = 0.
Рассмотрим остальные случаи. Пусть b = 0, тогда получим неполное квадратное уравнение вида ax2 + c = 0. Немного преобразуем его:
Поскольку арифметический квадратный корень существует только из неотрицательного числа, последнее равенство имеет смысл исключительно при (−c/a) ≥ 0. Вывод:
- Если в неполном квадратном уравнении вида ax2 + c = 0 выполнено неравенство (−c/a) ≥ 0, корней будет два. Формула дана выше;
- Если же (−c/a) < 0, корней нет.
Как видите, дискриминант не потребовался — в неполных квадратных уравнениях вообще нет сложных вычислений. На самом деле даже необязательно помнить неравенство (−c/a) ≥ 0. Достаточно выразить величину x2 и посмотреть, что стоит с другой стороны от знака равенства. Если там положительное число — корней будет два. Если отрицательное — корней не будет вообще.
Теперь разберемся с уравнениями вида ax2 + bx = 0, в которых свободный элемент равен нулю. Тут все просто: корней всегда будет два. Достаточно разложить многочлен на множители:
Произведение равно нулю, когда хотя бы один из множителей равен нулю. Отсюда находятся корни. В заключение разберем несколько таких уравнений:
Задача. Решить квадратные уравнения:
- x2 − 7x = 0;
- 5x2 + 30 = 0;
- 4x2 − 9 = 0.
x2 − 7x = 0 ⇒ x · (x − 7) = 0 ⇒ x1 = 0; x2 = −(−7)/1 = 7.
5x2 + 30 = 0 ⇒ 5x2 = −30 ⇒ x2 = −6. Корней нет, т.к. квадрат не может быть равен отрицательному числу.
4x2 − 9 = 0 ⇒ 4x2 = 9 ⇒ x2 = 9/4 ⇒ x1 = 3/2 = 1,5; x2 = −1,5.
Смотрите также:
- Теорема Виета
- Следствия из теоремы Виета
- Тест на тему «Значащая часть числа»
- Метод коэффициентов, часть 1
- Однородные тригонометрические уравнения: общая схема решения
- Задача B4: строительные бригады
Квадратным уравнением называется уравнение вида ax2+bx+c=0, где х – переменная, a, b, c некоторые числа, причем a≠0. Обычно его называют полным квадратным уравнением.
Если в таком уравнении один из коэффициентов b или c равен нулю, либо оба одновременно равны нулю, то такое уравнение называется неполным квадратным уравнением.
Неполное квадратное уравнение при b=0: ax2+c=0
Для решения такого вида уравнения надо выполнить перенос коэффициента с в правую часть, затем найти квадрат переменной (делим обе части на одно и то же число), найти два корня уравнения, либо доказать, что корней нет (если х2 равен отрицательному коэффициенту; знаем, что квадрат любого числа равен только положительному числу).
Пример №1. Решить уравнение:
5х2–45=0
Выполним перенос числа –45 в правую часть, изменяя знак на противоположный: 5х2=45; найдем переменную в квадрате, поделив обе части уравнения на 5: х2=9. Видим, что квадрат переменной равен положительному числу, поэтому уравнение имеет два корня, находим их устно, извлекая квадратный корень из числа 9, получим –3 и 3. Оформляем решение уравнения обычным способом:
5х2–45=0
5х2=45
х2=9
Ответ: х=±3 или можно записать ответ так: х1=–3, х2=3 (обычно меньший корень записывают первым).
Пример №2. Решить уравнение:
–6х2–90=0
Выполним решение уже известным способом: –6х2=90. х2=–15 Здесь видим, что квадрат переменной равен отрицательному числу, а это значит, что уравнение не имеет корней. Ответ: нет корней.
Пример №3. Решить уравнение:
х2–100=0
Здесь мы видим в левой части уравнения формулу сокращенного умножения (разность квадратов двух выражений). Поэтому, можем разложить данное выражение на множители, и найти корни уравнения: (х–10)(х+10)=0. Соответственно, вспомним, что произведение двух множителей равно нулю тогда, когда хотя бы один из множителей равен нулю, то есть х–10=0 или х+10=0. Откуда имеем два корня х1=10, х2=–10.
Неполное квадратное уравнение при с=0: ax2+bx=0
Данного вида уравнение решается способом разложения на множители – вынесением за скобки переменной. Данное уравнение всегда имеет два корня, один из которых равен нулю. Рассмотрим данный способ на примерах.
Пример №4. Решить уравнение:
х2+8х=0
Выносим переменную х за скобки: х(х+8)=0. Получаем два уравнения х=0 или х+8=0. Отсюда данное уравнение имеет два корня – это 0 и –8.
Пример №5. Решить уравнение:
3х2–12х=0
Здесь кроме переменной можно вынести за скобки еще и коэффициент 3, который является общим множителем для данных в уравнении коэффициентов. Получим: 3х(х–4)=0. Получаем два уравнения 3х=0 и х–4=0. Соответственно и два корня – нуль и 4.
Неполное квадратное уравнение с коэффициентами b и с равными нулю: ax2=0
Данное уравнение при любых значениях коэффициента а будет иметь один корень, равный нулю.
Пример №6. Решить уравнение:
–14х2=0
Обе части уравнения делим на (–14) и получаем х2=0, откуда соответственно и единственный корень – нуль.
Пример №6. Решить уравнение:
23х2=0
Также делим обе части на 23 и получаем х2=0. Значит, корень уравнения – нуль.
Даниил Романович | Просмотров: 8.6k
Ученик
(6),
закрыт
6 лет назад
Наталья Заикина
Просветленный
(31723)
6 лет назад
Тогда квадратное уравнение называется неполным и решается без дискриминанта, без с решается разложением на множители.
Например хкв -5х =0. Выносишь общий множитель х за скобку, получаешь х*(х-5) =0
Произведение равно нулю, если один из множителей равен нулю, то есть х=0 или х -5 =0
Корни уравнения 0 и 5.
Михаил Елисеев Ученик (6)
6 лет назад
Спасибо решил все повторить пробежаться по материалу завтра пробник по математике писать)
В уроке
«Как решать квадратные уравнения»
мы разобрали решение обычных квадратных
уравнений, но есть уравнения, в которых не всегда очевидно, как найти коэффициенты
«a», «b» и «c» для формулы поиска корней.
Например, рассмотрим такое квадратное уравнение.
4x2 − 64 = 0
Давайте сравним это уравнение с общим видом квадратного уравнения
«ax2 + bx + c = 0»
и определим, чему в нем равны
«a», «b» и
«c».
4x2 − 64 = 0
- a = 4
- b = ?
- c= −64
Возникает вопрос: «Чему здесь равен коэффициент «b»?»
Ответ прост: «b = 0». На самом деле по-другому уравнение можно записать так:
4x2 − 64 = 0
4x2 + 0 · x − 64 = 0
Теперь очевидно, чему равны коэффициенты
«a», «b» и «c» в этом уравнении .
4x2 − 64 = 0
4x2 + 0 · x − 64 = 0
- a = 4
- b = 0
- c = −64
Зная чему равны коэффициенты, можно применить формулу нахождения
корней
«x1;2 = ».
4x2 − 64 = 0
x1;2 =
−0 ± √02 − 4 · 4 · (−64) |
2 · 4 |
x1;2 =
x1;2 =
Ответ: x1 = 4; x2 = −4
Запомните!
Квадратные уравнения, в которых коэффициенты «b» и/или
«c» равны нулю, называют неполными.
Примеры неполных квадратных уравнений
Рассмотрим другие примеры неполных квадратных уравнений.
Выпишем их коэффициенты «a», «b» и «c»
и найдем корни.
3x2 = 0
Найдем коэффициенты:
- a = 3
- b = 0
- с = 0
Подставим коэффициенты в
формулу для корней:
x1;2 =
−0 ± √02 − 4 · 3 · 0 |
2 · 3 |
x1;2 =
x1;2 =
x = 0
Ответ: x = 0
5x2 = 125
5x2 − 125 = 0
Найдем коэффициенты:
- a = 5
- b = 0
- с = −125
Подставим коэффициенты в
формулу для корней:
x1;2 =
−0 ± √02 − 4 · 5 · 125 |
2 · 5 |
x1;2 =
x1;2 =
Ответ: x1 = 5; x2 = −5
9x2 − x = 0
Найдем коэффициенты:
- a = 9
- b = −1
- с = 0
Подставим коэффициенты в
формулу для корней:
x1;2 =
−(−1) ± √(−1)2 − 4 · 9 · 0 |
2 · 9 |
x1;2 =
x1;2 =
x1 = |
x2 = |
x1 = |
x2 = |
x1 = |
x2 = 0 |
Ответ: x1 = ; x2 = 0
Другие способы решения неполных квадратных уравнений
Любое неполное квадратное уравнение можно решить, не используя формулу для корней квадратного уравнения.
Корни в неполном квадратном уравнении можно найти,
применяя формулы сокращенного умножения и
правило деления уравнения на число.
Решим другим методом уравнения, которые мы решали по формуле выше.
3x2 = 0
Вспомним, что только умножение на «0» даст в результате ноль.
Поэтому становится понятно, что в этом уравнении только один корень «x = 0».
Ответ: x = 0
5x2 = 125
Разделим левую и правую часть уравнению по правилу деления на «5».
5x2 = 125 | (:5)
5x2 (:5) = 125 (:5)
x2 = 25
Перенесем все в левую часть.
x2 − 25 = 0
Используем формулу разность квадратов.
(x − 5)(x + 5) = 0
Произведение многочленов в скобках будет равно нулю в том случае, когда любая из скобок окажется равна нулю.
Приравняем каждую скобку к нулю и найдем корни уравнения.
(x − 5) = 0 |
(x + 5) = 0 |
x = 5 |
x = − 5 |
Ответ: x1 = 5; x2 = −5
9x2 − x = 0
Вынесем общий множитель за скобки в левой части.
9x2 − x = 0
x(9x − 1) = 0
Произведение будет равно нулю в том случае, когда один из множителей равен нулю.
x = 0 |
(9x − 1) = 0 |
9x = 1 | (:9) |
|
9x (:9) = 1 (:9) |
|
x = |
Ответ: x1 = 0 ; x2 =
Важно!
Если у вас не получается решить уравнение с помощью формул сокращенного умножения,
используйте формулу для поиска корней квадратного уравнения.
С помощью этой формулы всегда можно решить любое квадратное уравнение!
Ваши комментарии
Важно!
Чтобы оставить комментарий, вам нужно войти на наш сайт при помощи
«ВКонтакте».
Оставить комментарий:
Квадра́тное уравне́ние — алгебраическое уравнение второй степени с общим видом
в котором — неизвестное, а коэффициенты , и — вещественные или комплексные числа.
Корень уравнения — это значение неизвестного , обращающее квадратный трёхчлен в ноль, а квадратное уравнение в верное числовое равенство. Также это значение называется корнем самого многочлена
Элементы квадратного уравнения имеют собственные названия[1]:
Приведённым называют квадратное уравнение, в котором старший коэффициент равен единице[1]. Такое уравнение может быть получено делением всего выражения на старший коэффициент :
Полным называют такое квадратное уравнение, все коэффициенты которого отличны от нуля.
Неполным называется такое квадратное уравнение, в котором хотя бы один из коэффициентов, кроме старшего (либо второй коэффициент, либо свободный член), равен нулю.
Квадратное уравнение является разрешимым в радикалах, то есть его корни могут быть выражены через коэффициенты в общем виде.
Исторические сведения о квадратных уравнениях[править | править код]
Древний Вавилон[править | править код]
Уже во втором тысячелетии до нашей эры вавилоняне знали, как решать квадратные уравнения[1]. Решение их в Древнем Вавилоне было тесно связано с практическими задачами, в основном такими, как измерение площади земельных участков, земельные работы, связанные с военными нуждами; наличие этих познаний также обусловлено развитием математики и астрономии вообще. Были известны способы решения как полных, так и неполных квадратных уравнений. Приведём примеры квадратных уравнений, решавшихся в Древнем Вавилоне, используя современную алгебраическую запись:
Правила решения квадратных уравнений во многом аналогичны современным, однако в вавилонских текстах не зафиксированы рассуждения, путём которых эти правила были получены.
Индия[править | править код]
Задачи, решаемые с помощью квадратных уравнений, встречаются в трактате по астрономии «Ариабхаттиам», написанным индийским астрономом и математиком Ариабхатой в 499 году нашей эры. Один из первых известных выводов формулы корней квадратного уравнения принадлежит индийскому учёному Брахмагупте (около 598 г.)[1]; Брахмагупта изложил универсальное правило решения квадратного уравнения, приведённого к каноническому виду: притом предполагалось, что в нём все коэффициенты, кроме могут быть отрицательными. Сформулированное учёным правило по своему существу совпадает с современным.
Корни квадратного уравнения на множестве действительных чисел[править | править код]
I способ. Общая формула для вычисления корней с помощью дискриминанта[править | править код]
Дискриминантом квадратного уравнения называется величина .
Условие | |||
Количество корней | Два корня | Один корень кратности 2 (другими словами, два равных корня) |
Действительных корней нет |
Формула | (1) | — |
Данный метод универсальный, однако не единственный.
II способ. Корни квадратного уравнения при чётном коэффициенте b[править | править код]
Для уравнений вида , то есть при чётном , где
вместо формулы (1) для нахождения корней существует возможность использования более простых выражений[1].
Примечание: данные ниже формулы можно получить, подставив в стандартные формулы выражение b = 2k, через несложные преобразования.
Дискриминант | Корни | |||
неприведённое | приведённое | D > 0 | неприведённое | приведённое |
удобнее вычислять значение
четверти дискриминанта: Все необходимые свойства при этом сохраняются. |
. | |||
D = 0 |
III способ. Решение неполных квадратных уравнений[править | править код]
К решению неполных квадратных уравнений практикуется особый подход. Рассматриваются три возможных ситуации.
IV способ. Использование частных соотношений коэффициентов[править | править код]
Существуют частные случаи квадратных уравнений, в которых коэффициенты находятся в соотношениях между собой, позволяющих решать их гораздо проще.
Корни квадратного уравнения, в котором сумма старшего коэффициента и свободного члена равна второму коэффициенту[править | править код]
Если в квадратном уравнении сумма первого коэффициента и свободного члена равна второму коэффициенту: , то его корнями являются и число, противоположное отношению свободного члена к старшему коэффициенту ().
Доказательство
Способ 1. Сначала выясним, действительно ли такое уравнение имеет два корня (в том числе, два совпадающих):
- .
Да, это так, ведь при любых действительных значениях коэффициентов , а значит и дискриминант неотрицателен. Таким образом, если , то уравнение имеет два корня, если же , то оно имеет только один корень.
Найдём эти корни:
- .
В частности, если , то корень будет один:
Способ 2.
Геометрическая интерпретация: парабола, заданная аналитически указанной формулой, пересекает ось x в двух точках, абсциссами которых и являются корни, хотя бы один из которых равен -1
Используем геометрическую модель корней квадратного уравнения: их мы будем рассматривать как точки пересечения параболы с осью абсцисс. Всякая парабола вне зависимости от задающего её выражения является фигурой, симметричной относительно прямой . Это означает, что отрезок всякой перпендикулярной к ней прямой, отсекаемый на ней параболой, делится осью симметрии пополам. Сказанное, в частности, верно и для оси абсцисс. Таким образом, для всякой параболы справедливо одно из следующих равенств: (если ) или (если верно неравенство противоположного смысла). Используя тождество , выражающее геометрический смысл модуля, а также принимая, что (это можно доказать, подставив равенство в квадратный трёхчлен: , поэтому -1 – корень такого уравнения) , приходим к следующему равенству: Если учитывать, что разность в том случае, когда мы прибавляем модуль, всегда положительна, а в том, когда отнимаем – отрицательна, что говорит о тождественности этих случаев, и, к тому же, помня о равенстве , раскрываем модуль: . Во втором случае,совершив аналогичные преобразования, придём к тому же результату, ч.т.д.
- Отсюда следует, что перед решением какого-либо квадратного уравнения целесообразна проверка возможности применения к нему этой теоремы: сравнить сумму старшего коэффициента и свободного члена со вторым коэффициентом.
Корни квадратного уравнения, сумма всех коэффициентов которого равна нулю[править | править код]
Если в квадратном уравнении сумма всех его коэффициентов равна нулю (), то корнями такого уравнения являются и отношение свободного члена к старшему коэффициенту ().
Доказательство
Способ 1. Прежде всего заметим, что из равенства следует, что
Установим количество корней:
При любых значениях коэффициентов уравнение имеет хотя бы один корень: действительно, ведь при любых значениях коэффициентов , а значит и дискриминант неотрицателен. Обратите внимание, что если , то уравнение имеет два корня, если же , то только один.
Найдём эти корни:
что и требовалось доказать.
- В частности, если , то уравнение имеет только один корень, которым является число .
Способ 2. Пользуясь данным выше определением корня квадратного уравнения, обнаруживаем путём подстановки, что число 1 является таковым в рассматриваемом случае: – верное равенство, следовательно, единица – корень такого вида квадратных уравнений. Далее, по теореме Виета находим второй корень: согласно этой теореме, произведение корней уравнения равно числу, равному отношению свободного члена к старшему коэффициенту – , ч.т.д.
- Отсюда следует, что перед решением уравнения стандартными методами целесообразна проверка применимости к нему этой теоремы, а именно сложение всех коэффициентов данного уравнения и установление, не равна ли нулю эта сумма.
V способ. Разложение квадратного трёхчлена на линейные множители[править | править код]
Если трёхчлен вида удастся каким-либо образом представить в качестве произведения линейных множителей , то можно найти корни уравнения — ими будут и , действительно, ведь а решив указанные линейные уравнения, получим вышеописанное. Квадратный трёхчлен не всегда раскладывается на линейные множители с действительными коэффициентами: это возможно, если соответствующее ему уравнение имеет действительные корни.
Рассматриваются некоторые частные случаи.
Использование формулы квадрата суммы (разности)[править | править код]
Если квадратный трёхчлен имеет вид , то применив к нему названную формулу, можно разложить его на линейные множители и, значит, найти корни:
Выделение полного квадрата суммы (разности)[править | править код]
Также названную формулу применяют, пользуясь методом, получившим названия «выделение полного квадрата суммы (разности)». Применительно к приведённому квадратному уравнению с введёнными ранее обозначениями, это означает следующее:
- прибавляют и отнимают одно и то же число:
. - применяют формулу к полученному выражению, переносят вычитаемое и свободный член в правую часть:
- извлекают из левой и правой частей уравнения квадратный корень и выражают переменную:
Примечание: данная формула совпадает с предлагаемой в разделе «Корни приведённого квадратного уравнения», которую, в свою очередь, можно получить из общей формулы (1) путём подстановки равенства a = 1. Этот факт не просто совпадение: описанным методом, произведя, правда, некоторые дополнительные рассуждения, можно вывести и общую формулу, а также доказать свойства дискриминанта.
VI способ. Использование прямой и обратной теоремы Виета[править | править код]
Прямая теорема Виета (см. ниже) и обратная ей теорема позволяют решать приведённые квадратные уравнения устно, не прибегая к вычислениям по формуле (1).
Согласно обратной теореме, всякая пара чисел (число) , будучи решением системы уравнений
- являются корнями уравнения .
Подобрать устно числа, удовлетворяющие этим уравнениям, поможет прямая теорема. С её помощью можно определить знаки корней, не зная сами корни. Для этого следует руководствоваться правилом:
- 1) если свободный член отрицателен, то корни имеют различный знак, и наибольший по модулю из корней — знак, противоположный знаку второго коэффициента уравнения;
- 2) если свободный член положителен, то оба корня обладают одинаковым знаком, и это — знак, противоположный знаку второго коэффициента.
VII способ. Метод «переброски»[править | править код]
По своей сущности метод «переброски» является просто модификацией теоремы Виета.
Метод «переброски» — это сведение уравнения, которое нельзя привести так, чтобы все коэффициенты остались целыми, к приведённому уравнению с целыми коэффициентами:
- 1) умножаем обе части на старший коэффициент:
- 2) заменяем
Далее решаем уравнение относительно y по методу, описанному выше, и находим x = y/a.
Как можно заметить, в методе «переброски» старший коэффициент как раз «перебрасывается» к свободному члену.
Графическое решение квадратного уравнения[править | править код]
Графиком квадратичной функции является парабола. Решениями (корнями) квадратного уравнения называют абсциссы точек пересечения параболы с осью абсцисс. Если парабола, описываемая квадратичной функцией, не пересекается с осью абсцисс, уравнение не имеет вещественных корней. Если парабола пересекается с осью абсцисс в одной точке (в вершине параболы), уравнение имеет один вещественный корень (также говорят, что уравнение имеет два совпадающих корня). Если парабола пересекает ось абсцисс в двух точках, уравнение имеет два вещественных корня (см. изображение справа.)
Если коэффициент положительный, ветви параболы направлены вверх и наоборот. Если коэффициент положительный (при положительном , при отрицательном наоборот), то вершина параболы лежит в левой полуплоскости и наоборот.
Графический способ решения квадратных уравнений[править | править код]
Помимо универсального способа, описанного выше, существует так называемый графический способ. В общем виде этот способ решения рационального уравнения вида заключается в следующем: в одной системе координат строят графики функций и и находят абсциссы общих точек этих графиков; найденные числа и будут корнями уравнения.
- Есть всего пять основных способов графического решения квадратных уравнений.
Приём I[править | править код]
Для решения квадратного уравнения строится график функции
и отыскиваются абсциссы точек пересечения такого графика с осью .
Приём II[править | править код]
Для решения того же уравнения этим приёмом уравнение преобразуют к виду
и строят в одной системе координат графики квадратичной функции и линейной функции , затем находят абсциссу точек их пересечения.
Приём III[править | править код]
Данный приём подразумевает преобразование исходного уравнения к виду , используя метод выделения полного квадрата суммы (разности) и затем в . После этого строятся график функции (им является график функции , смещённый на единиц масштаба вправо или влево в зависимости от знака) и прямую , параллельную оси абсцисс. Корнями уравнения будут абсциссы точек пересечения параболы и прямой.
Приём IV[править | править код]
Квадратное уравнение преобразуют к виду , строят график функции (им является график функции , смещённый на единиц масштаба вверх, если этот коэффициент положителен, либо вниз, если он отрицателен), и , находят абсциссы их общих точек.
Приём V[править | править код]
Квадратное уравнение преобразуют к особому виду:
затем
Совершив преобразования, строят графики линейной функции и обратной пропорциональности , отыскивают абсциссы точек пересечения этих графиков. Этот приём имеет границу применимости: если , то приём не используется.
Решение квадратных уравнений с помощью циркуля и линейки[править | править код]
Описанные выше приёмы графического решения имеют существенные недостатки: они достаточно трудоёмки, при этом точность построения кривых — парабол и гипербол — низка. Указанные проблемы не присущи предлагаемому ниже методу, предполагающему относительно более точные построения циркулем и линейкой.
Чтобы произвести такое решение, нужно выполнить нижеследующую последовательность действий.
- Построить в системе координат окружность с центром в точке , пересекающую ось в точке .
- Далее возможны три случая:
Доказательство
Иллюстрация к доказательству.
Рассматриваемый способ предполагает построение окружности, пересекающей ось ординат в точках (точке), абсциссы которых являются корнями (или корнем) решаемого уравнения. Как нужно строить такую окружность? Предположим, что она уже построена. Окружность определяется однозначно заданием трёх своих точек. Пусть в случае, если корня два, это будут точки , где , естественно, действительные корни квадратного уравнения (подчёркиваем: если они имеются). Найдём координаты центра такой окружности. Для этого докажем, что эта окружность проходит через точку . Действительно, согласно теореме о секущих, в принятых обозначениях выполняется равенство (см рисунок). Преобразовывая это выражение, получаем величину отрезка OD, которой и определяется искомая ордината точки D: (в последнем преобразовании использована теорема Виета (см. ниже в одноимённом разделе)). Если же корень один, то есть ось абсцисс будет касательной к такой окружности, и окружность пересекает ось y в точке с ординатой 1, то она обязательно пересечёт её и в точке с указанной выше ординатой (в частности, если 1=c/a, это могут быть совпадающие точки), что доказывается аналогично с использованием уже теоремы о секущей и касательной, являющаяся частным случаем теоремы о секущих. В первом случае (), определяющими будут точка касания, точка оси y с ординатой 1, и её же точка с ординатой . Если c/a и 1 – совпадающие точки, а корня два, определяющими будут эта точка и точки пересечения с осью абсцисс. В случае, когда (1=c/a) и корень один, указанных сведений достаточно для доказательства, так как такая окружность может быть только одна – её центром будет вершина квадрата, образуемого отрезками касательных и перпендикулярами, а радиус – стороне этого квадрата, составляющей 1. Пускай S – центр окружности, имеющей с осью абсцисс две общие точки. Найдём его координаты: для этого опустим от этой точки перпендикуляры к координатным осям. Концы этих перпендикуляров будут серединами отрезков AB и CD – ведь треугольники ASB и CSD равнобедренные, так как в них AS=BS=CS=DS как радиусы одной окружности, следовательно, высоты в них, проведённые к основаниям, также являются и медианами. Найдём координаты середин названных отрезков. Так как парабола симметрична относительно прямой , то точка этой прямой с такой же абсциссой будет являться серединой отрезка AB. Следовательно, абсцисса точки S равна этому числу. В случае же, если уравнение имеет один корень, то ось x является касательной по отношению к окружности,поэтому, согласно её свойству, её радиус перпендикулярен оси, следовательно, и в этом случае указанное число – абсцисса центра. Её ординату найдём так: . В третьем из возможных случаев, когда ca=1 (и, значит, a=c), то .
Итак, нами найдены необходимые для построения данные. Действительно, если мы построим окружность с центром в точке , проходящую через точку , то она, в случаях, когда уравнение имеет действительные корни, пересечёт ось x в точках, абсциссы которых есть эти корни. Причём, если длина радиуса больше длины перпендикуляра к оси Ox, то уравнение имеет два корня (предположив обратное, мы бы получили противоречие с доказанным выше), если длины равны, то один (по той же причине), если же длина радиуса меньше длины перпендикуляра, то окружность не имеет общих точек с осью x, следовательно, и действительных корней у уравнения нет (доказывается тоже от противного: если корни есть, то окружность, проходящая через A, B, C совпадает с данной, и поэтому пересекает ось, однако она не должна пересекать ось абсцисс по условию, значит, предположение неверно).
Корни квадратного уравнения на множестве комплексных чисел[править | править код]
Уравнение с действительными коэффициентами[править | править код]
Квадратное уравнение с вещественными коэффициентами всегда имеет с учётом кратности два комплексных корня, о чём гласит основная теорема алгебры. При этом, в случае неотрицательного дискриминанта корни будут вещественными, а в случае отрицательного — комплексно-сопряжёнными:
Уравнение с комплексными коэффициентами[править | править код]
В комплексном случае квадратное уравнение решается по той же формуле (1) и указанным выше её вариантам, но различимыми являются только два случая: нулевого дискриминанта (один двукратный корень) и ненулевого (два корня единичной кратности).
Корни приведённого квадратного уравнения[править | править код]
Квадратное уравнение вида в котором старший коэффициент равен единице, называют приведённым. В этом случае формула для корней (1) упрощается до
Мнемонические правила:
- Из «Радионяни»:
«Минус» напишем сначала,
Рядом с ним p пополам,
«Плюс-минус» знак радикала,
С детства знакомого нам.
Ну, а под корнем, приятель,
Сводится всё к пустяку:
p пополам и в квадрате
Минус прекрасное[2] q.
- Из «Радионяни» (второй вариант):
p, со знаком взяв обратным,
На два мы его разделим,
И от корня аккуратно
Знаком «минус-плюс» отделим.
А под корнем очень кстати
Половина p в квадрате
Минус q — и вот решенья,
То есть корни уравненья.
- Из «Радионяни» (третий вариант на мотив Подмосковных вечеров):
Чтобы x найти к половине p,
Взятой с минусом не забудь,
Радикал приставь с плюсом минусом,
Аккуратно, не как-нибудь.
А под ним квадрат половины p,
Ты, убавь на q и конец,
Будет формула приведенная,
Рассуждений твоих венец.
Будет формула приведенная,
Рассуждений твоих венец.
Теорема Виета [3][править | править код]
Формулировка для приведённого квадратного уравнения[править | править код]
Сумма корней приведённого квадратного уравнения (вещественных или комплексных) равна второму коэффициенту , взятому с противоположным знаком, а произведение этих корней — свободному члену :
С его помощью приведённые уравнения можно решать устно:
Для неприведённого квадратного уравнения[править | править код]
В общем случае, то есть для неприведённого квадратного уравнения
На практике (следуя методу «переброски») для вычисления корней применяется модификация теорема Виета:
по которой можно устно находить ax1, ax2, а оттуда — сами корни:
Но у некоторых неприведённых уравнений корни можно устно угадать даже по стандартной теореме Виета:
Разложение квадратного трёхчлена на множители и теоремы, следующие из этого[править | править код]
Если известны оба корня квадратного трёхчлена, его можно разложить по формуле
- (2)
Доказательство[править | править код]
Для доказательства этого утверждения воспользуемся теоремой Виета. Согласно этой теореме, корни и квадратного уравнения образуют соотношения с его коэффициентами: . Подставим эти соотношения в квадратный трёхчлен:
В случае нулевого дискриминанта это соотношение становится одним из вариантов формулы квадрата суммы или разности.
- Из формулы (2) имеются два важных следствия:
Следствие 1[править | править код]
-
- Если квадратный трёхчлен раскладывается на линейные множители с вещественными коэффициентами, то он имеет вещественные корни.
Доказательство[править | править код]
Пусть . Тогда, переписав это разложение, получим:
- .
Сопоставив полученное выражение с формулой (2), находим, что корнями такого трёхчлена являются и . Так как коэффициенты вещественны, то и числа, противоположные их отношениям также являются элементами множества .
Следствие 2[править | править код]
-
- Если квадратный трёхчлен не имеет вещественных корней, то он не раскладывается на линейные множители с вещественными коэффициентами.
Доказательство[править | править код]
Действительно, если мы предположим противное (что такой трёхчлен раскладывается на линейные множители), то, согласно следствию 1, он имеет корни в множестве , что противоречит условию, а потому наше предположение неверно, и такой трёхчлен не раскладывается на линейные множители.
Для квадратичной функции:
f (x) = x2 − x − 2 = (x + 1)(x − 2) действительной переменной x, x — координаты точки, где график пересекает ось абсцисс, x = −1 и x = 2, являются решениями квадратного уравнения: x2 − x − 2 = 0.
Уравнения, сводящиеся к квадратным[править | править код]
Алгебраические[править | править код]
Уравнение вида является уравнением, сводящимся к квадратному.
В общем случае оно решается методом введения новой переменной, то есть заменой где — множество значений функции , c последующим решением квадратного уравнения .
Также при решении можно обойтись без замены, решив совокупность двух уравнений:
- и
К примеру, если , то уравнение принимает вид:
Такое уравнение 4-й степени называется биквадратным[4][1].
С помощью замены
к квадратному уравнению сводится уравнение
известное как возвратное или обобщённо-симметрическое уравнение[1].
Дифференциальные[править | править код]
Линейное однородное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами второго порядка
подстановкой сводится к характеристическому квадратному уравнению:
Если решения этого уравнения и не равны друг другу, то общее решение имеет вид:
- , где и — произвольные постоянные.
Для комплексных корней можно переписать общее решение, используя формулу Эйлера:
где A, B, C, φ — любые постоянные. Если решения характеристического уравнения совпадают , общее решение записывается в виде:
Уравнения такого типа часто встречаются в самых разнообразных задачах математики и физики, например, в теории колебаний или теории цепей переменного тока.
Примечания[править | править код]
Литература[править | править код]
- Квадратное уравнение; Квадратный трёхчлен // Энциклопедический словарь юного математика / Сост. А. П. Савин. — М.: Педагогика, 1985. — С. 133-136. — 352 с.
Ссылки[править | править код]
- Weisstein, Eric W. Quadratic Equation (англ.) на сайте Wolfram MathWorld.
- Вывод формулы корней полного квадратного уравнения. Решение приведённых квадратных уравнений и уравнений с чётным вторым коэффициентом Архивная копия от 28 января 2016 на Wayback Machine / Фестиваль педагогических идей «Открытый урок».
- Математические методы