Формулы корней квадратного уравнения. Рассмотрены случаи действительных, кратных и комплексных корней. Разложение на множители квадратного трехчлена. Геометрическая интерпретация. Примеры определения корней и разложения на множители.
Основные формулы
Рассмотрим квадратное уравнение:
(1)
.
Корни квадратного уравнения
(1) определяются по формулам:
;
.
Эти формулы можно объединить так:
.
Когда корни квадратного уравнения известны, то многочлен второй степени можно представить в виде произведения сомножителей (разложить на множители):
.
Далее считаем, что - действительные числа.
Рассмотрим дискриминант квадратного уравнения
:
.
Если дискриминант положителен, ,
то квадратное уравнение (1) имеет два различных действительных корня:
;
.
Тогда разложение квадратного трехчлена на множители имеет вид:
.
Если дискриминант равен нулю, ,
то квадратное уравнение (1) имеет два кратных (равных) действительных корня:
.
Разложение на множители:
.
Если дискриминант отрицателен, ,
то квадратное уравнение (1) имеет два комплексно сопряженных корня:
;
.
Здесь - мнимая единица, ;
и - действительная и мнимая части корней:
;
.
Тогда
.
Графическая интерпретация
Если построить график функции
,
который является параболой, то точки пересечения графика с осью будут корнями уравнения
.
При ,
график пересекает ось абсцисс (ось ) в двух точках.
При ,
график касается оси абсцисс в одной точке.
При ,
график не пересекает ось абсцисс.
Ниже приводятся примеры таких графиков.
Полезные формулы, связанные с квадратным уравнением
(f.1)
;
(f.2)
;
(f.3)
.
Вывод формулы для корней квадратного уравнения
Выполняем преобразования и применяем формулы (f.1) и (f.3):
,
где
;
.
Итак, мы получили формулу для многочлена второй степени в виде:
.
Отсюда видно, что уравнение
выполняется при
и .
То есть и являются корнями квадратного уравнения
.
Примеры определения корней квадратного уравнения
Пример 1
(1.1)
.
Решение
.
Сравнивая с нашим уравнением (1.1), находим значения коэффициентов:
.
Находим дискриминант:
.
Поскольку дискриминант положителен, ,
то уравнение имеет два действительных корня:
;
;
.
Отсюда получаем разложение квадратного трехчлена на множители:
.
График функции y = 2 x 2 + 7 x + 3 пересекает ось абсцисс в двух точках.
Построим график функции
.
График этой функции является параболой. Она пересевает ось абсцисс (ось ) в двух точках:
и .
Эти точки являются корнями исходного уравнения (1.1).
Ответ
;
;
.
Пример 2
Найти корни квадратного уравнения:
(2.1)
.
Решение
Запишем квадратное уравнение в общем виде:
.
Сравнивая с исходным уравнением (2.1), находим значения коэффициентов:
.
Находим дискриминант:
.
Поскольку дискриминант равен нулю, ,
то уравнение имеет два кратных (равных) корня:
;
.
Тогда разложение трехчлена на множители имеет вид:
.
График функции y = x 2 - 4 x + 4 касается оси абсцисс в одной точке.
Построим график функции
.
График этой функции является параболой. Она касается оси абсцисс (ось ) в одной точке:
.
Эта точка является корнем исходного уравнения (2.1). Поскольку этот корень входит в разложение на множители два раза:
,
то такой корень принято называть кратным. То есть считают, что имеется два равных корня:
.
Ответ
;
.
Пример 3
Найти корни квадратного уравнения:
(3.1)
.
Решение
Запишем квадратное уравнение в общем виде:
(1)
.
Перепишем исходное уравнение (3.1):
.
Сравнивая с (1), находим значения коэффициентов:
.
Находим дискриминант:
.
Дискриминант отрицателен, .
Поэтому действительных корней нет.
Можно найти комплексные корни:
;
;
.
Тогда
.
График функции не пересекает ось абсцисс. Действительных корней нет.
Построим график функции
.
График этой функции является параболой. Она не пересекает ось абсцисс (ось ). Поэтому действительных корней нет.
Ответ
Действительных корней нет. Корни комплексные:
;
;
.
Квадратное уравнение - это уравнение вида ax^2 + bx + c = 0, где коэффициенты a, b и c - произвольные числа, причем a ≠ 0 иначе это будет уже не квадратное уравнение. Квадратные уравнения либо не имеют корней, либо имеют ровно один корень, либо два различных корня. Первым шагом ищут дискриминант. Формула: D = b^2 − 4ac. 1. Если D < 0, корней нет; 2. Если D = 0, есть ровно один корень; 3. Если D > 0, корней будет два. C первым вариантом понятно, корней нет. Если дискриминант D > 0, корни можно найти cледующим образом: x12 = (-b +- √D) / 2a. Что касается второго варианта, когда D = 0, можно использовать верхнюю формулу.
Квадратные уравнения начинают изучать в школьной программе по курсу математики. Но, к большому сожалению, далеко не каждый понимает и знает как правильно решить квадратное уравнение и вычислить его корни. Для начала разберемся что такое квадратное уравнение.
Что такое квадратное уравнение
Под термином квадратное уравнение принято подразумевать алгебраическое уравнение общего вида. Данное уравнение имеет следующий вид: ax2 + bx + c = 0, при этом a, b и c являются какими - либо определенными числами, x - неизвестное. Данные три числа принято называть коэффициентами квадратного уравнения:
- a - первый коэффициент;
- b - второй коэффициент;
- с - третий коэффициент.
Как найти корни квадратного уравнения
Для того, чтобы вычислить, чему будут равняться корни квадратного уравнения, необходимо найти дискриминант уравнения. Дискриминантом квадратного уравнения называется выражение, которое равняется и вычисляется по формуле b2 - 4ac. Если дискриминант больше нуля, корень вычисляется по формуле: х = -b +-корень из дискриминанта разделить на 2 а.
Рассмотрим на примере уравнения 5х в квадрате - 8х +3 = 0
Дискриминант равен восемь в квадрате, минус четыре умножить на пять, умножить на три, то есть = 64 - 4*5*3 = 64-60 = 4
х1 = 8 +-корень из четырех разделить на два умноженное на пять = 8 +2/10 = 1
х2 = 8-2/10 = 6/10 = 3/5 = 0, 6
Соответственно, корнями данного квадратного уравнения будут являться 1 и 0,6.
Библиографическое описание: Гасанов А. Р., Курамшин А. А., Ельков А. А., Шильненков Н. В., Уланов Д. Д., Шмелева О. В. Способы решения квадратных уравнений // Юный ученый. 2016. №6.1. С. 17-20..03.2019).
Наш проект посвящен способам решения квадратных уравнений. Цель проекта: научиться решать квадратные уравнения способами, не входящими в школьную программу. Задача: найти все возможные способы решения квадратных уравнений и научиться их использовать самим и познакомить одноклассников с этими способами.
Что же такое «квадратные уравнения»?
Квадратное уравнение - уравнение вида ax 2 + bx + c = 0 , где a , b , c - некоторые числа (a ≠ 0 ), x - неизвестное.
Числа a, b,c называются коэффициентами квадратного уравнения.
- a называется первым коэффициентом;
- b называется вторым коэффициентом;
- c - свободным членом.
А кто же первый "изобрёл" квадратные уравнения?
Некоторые алгебраические приемы решения линейных и квадратных уравнений были известны еще 4000 лет назад в Древнем Вавилоне. Найденные древние вавилонские глиняные таблички, датированные где-то между 1800 и 1600 годами до н.э., являются самыми ранними свидетельствами об изучении квадратных уравнений. На этих же табличках изложены методы решения некоторых типов квадратных уравнений.
Необходимость решать уравнения не только первой, но и второй степени еще в древности была вызвана потребностью решать задачи, связанные с нахождением площадей земельных участков и с земляными работами военного характера, а также с развитием астрономии и самой математики.
Правило решения этих уравнений, изложенное в вавилонских текстах, совпадает по существу с современным, однако неизвестно, каким образом дошли вавилоняне до этого правила. Почти все найденные до сих пор клинописные тексты приводят только задачи с решениями, изложенными в виде рецептов, без указаний относительно того, каким образом они были найдены. Несмотря на высокий уровень развития алгебры в Вавилоне, в клинописных текстах отсутствуют понятие отрицательного числа и общие методы решения квадратных уравнений.
Вавилонские математики примерно с IV века до н.э. использовали метод дополнения квадрата для решения уравнений с положительными корнями. Около 300 года до н.э. Эвклид придумал более общий геометрический метод решения. Первым математиком, который нашел решения уравнения с отрицательными корнями в виде алгебраической формулы, был индийский ученый Брахмагупта (Индия, VII столетие нашей эры).
Брахмагупта изложил общее правило решения квадратных уравнений, приведенных к единой канонической форме:
ax2 + bх = с, а>0
В этом уравнении коэффициенты, могут быть и отрицательными. Правило Брахмагупты по существу совпадает с нашим.
В Индии были распространены публичные соревнования в решении трудных задач. В одной из старинных индийских книг говорится по поводу таких соревнований следующее: «Как солнце блеском своим затмевает звезды, так ученый человек затмит славу в народных собраниях, предлагая и решая алгебраические задачи». Задачи часто облекались в стихотворную форму.
В алгебраическом трактате Аль-Хорезми дается классификация линейных и квадратных уравнений. Автор насчитывает 6 видов уравнений, выражая их следующим образом:
1) «Квадраты равны корням», т. е. ах2 = bх.
2) «Квадраты равны числу», т. е. ах2 = с.
3) «Корни равны числу», т. е. ах2 = с.
4) «Квадраты и числа равны корням», т. е. ах2 + с = bх.
5) «Квадраты и корни равны числу», т. е. ах2 + bх =с.
6) «Корни и числа равны квадратам», т. е. bх + с == ах2.
Для Аль-Хорезми, избегавшего употребления отрицательных чисел, члены каждого из этих уравнений слагаемые, а не вычитаемые. При этом заведомо не берутся во внимание уравнения, у которых нет положительных решений. Автор излагает способы решения указанных уравнений, пользуясь приемами ал-джабр и ал-мукабала. Его решение, конечно, не совпадает полностью с нашим. Уже не говоря о том, что оно чисто риторическое, следует отметить, например, что при решении неполного квадратного уравнения первого вида Аль-Хорезми, как и все математики до XVII в., не учитывает нулевого решения, вероятно, потому, что в конкретных практических задачах оно не имеет значения. При решении полных квадратных уравнений Аль-Хорезми на частных числовых примерах излагает правила решения, а затем их геометрические доказательства.
Формы решения квадратных уравнений по образцу Аль-Хорезми в Европе были впервые изложены в «Книге абака», написанной в 1202г. итальянским математиком Леонардом Фибоначчи . Автор разработал самостоятельно некоторые новые алгебраические примеры решения задач и первый в Европе подошел к введению отрицательных чисел.
Эта книга способствовала распространению алгебраических знаний не только в Италии, но и в Германии, Франции и других странах Европы. Многие задачи из этой книги переходили почти во все европейские учебники XIV-XVII вв. Общее правило решения квадратных уравнений, приведенных к единому каноническому виду x2 + bх = с при всевозможных комбинациях знаков и коэффициентов b, c, было сформулировано в Европе в 1544 г. М. Штифелем.
Вывод формулы решения квадратного уравнения в общем виде имеется у Виета, однако Виет признавал только положительные корни. Итальянские математики Тарталья,Кардано, Бомбелли среди первых в XVI в. учитывают, помимо положительных, и отрицательные корни. Лишь в XVII в. благодаря трудам Жирара, Декарта, Ньютона и других ученых способ решения квадратных уравнений принимает современный вид.
Рассмотрим несколько способов решения квадратных уравнений.
Стандартные способы решения квадратных уравнений из школьной программы:
- Разложение левой части уравнения на множители.
- Метод выделения полного квадрата.
- Решение квадратных уравнений по формуле.
- Графическое решение квадратного уравнения.
- Решение уравнений с использованием теоремы Виета.
Остановимся подробнее на решение приведенных и не приведенных квадратных уравнений по теореме Виета.
Напомним, что для решения приведенных квадратных уравнений достаточно найти два числа такие, произведение которых равно свободному члену, а сумма - второму коэффициенту с противоположным знаком.
Пример. x 2 -5x+6=0
Нужно найти числа, произведение которых равно 6, а сумма 5. Такими числами будут 3 и 2.
Ответ: x 1 =2, x 2 =3.
Но можно использовать этот способ и для уравнений с первым коэффициентом не равным единице.
Пример. 3x 2 +2x-5=0
Берём первый коэффициент и умножаем его на свободный член: x 2 +2x-15=0
Корнями этого уравнения будут числа, произведение которых равно - 15, а сумма равна - 2. Эти числа - 5 и 3. Чтобы найти корни исходного уравнения, полученные корни делим на первый коэффициент.
Ответ: x 1 =-5/3, x 2 =1
6. Решение уравнений способом "переброски".
Рассмотрим квадратное уравнение ах 2 + bх + с = 0, где а≠0.
Умножая обе его части на а, получаем уравнение а 2 х 2 + аbх + ас = 0.
Пусть ах = у, откуда х = у/а; тогда приходим к уравнению у 2 + by + ас = 0, равносильному данному. Его корни у 1 и у 2 найдем с помощью теоремы Виета.
Окончательно получаем х 1 = у 1 /а и х 2 = у 2 /а.
При этом способе коэффициент a умножается на свободный член, как бы "перебрасывается" к нему, поэтому его называют способом "переброски". Этот способ применяют, когда можно легко найти корни уравнения, используя теорему Виета и, что самое важное, когда дискриминант есть точный квадрат.
Пример. 2х 2 - 11х + 15 = 0.
"Перебросим" коэффициент 2 к свободному члену и сделав замену получим уравнение у 2 - 11у + 30 = 0.
Согласно обратной теореме Виета
у 1 = 5, х 1 = 5/2, х 1 =2,5 ;у 2 = 6, x 2 = 6/2, x 2 = 3.
Ответ: х 1 =2,5; х 2 = 3.
7. Свойства коэффициентов квадратного уравнения.
Пусть дано квадратное уравнение ах 2 + bх + с = 0, а ≠ 0.
1. Если a+ b + с = 0 (т.е. сумма коэффициентов уравнения равна нулю), то х 1 = 1.
2. Если а - b + с = 0, или b = а + с, то х 1 = - 1.
Пример. 345х 2 - 137х - 208 = 0.
Так как а + b + с = 0 (345 - 137 - 208 = 0), то х 1 = 1, х 2 = -208/345.
Ответ: х 1 =1; х 2 = -208/345 .
Пример. 132х 2 + 247х + 115 = 0
Т.к. a-b+с = 0 (132 - 247 +115=0), то х 1 = - 1, х 2 = - 115/132
Ответ: х 1 = - 1; х 2 =- 115/132
Существуют и другие свойства коэффициентов квадратного уравнения. но ихиспользование более сложное.
8. Решение квадратных уравнений с помощью номограммы.
Рис 1. Номограмма
Это старый и в настоящее время забытый способ решения квадратных уравнений, помещенный на с.83 сборника: Брадис В.М. Четырехзначные математические таблицы. - М., Просвещение, 1990.
Таблица XXII. Номограмма для решения уравнения z 2 + pz + q = 0 . Эта номограмма позволяет, не решая квадратного уравнения, по его коэффициентам определить корни уравнения.
Криволинейная шкала номограммы построена по формулам (рис. 1):
Полагая ОС = р, ED = q, ОЕ = а (все в см), из рис.1 подобия треугольников САН и CDF получим пропорцию
откуда после подстановок и упрощений вытекает уравнение z 2 + pz + q = 0, причем буква z означает метку любой точки криволинейной шкалы.
Рис. 2 Решение квадратных уравнения с помощью номограммы
Примеры.
1) Для уравнения z 2 - 9z + 8 = 0 номограмма дает корни z 1 = 8,0 и z 2 = 1,0
Ответ:8,0; 1,0.
2) Решим с помощью номограммы уравнение
2z 2 - 9z + 2 = 0.
Разделим коэффициенты этого уравнения на 2, получим уравнение z 2 - 4,5z + 1 = 0.
Номограмма дает корни z 1 = 4 и z 2 = 0,5.
Ответ: 4; 0,5.
9. Геометрический способ решения квадратных уравнений.
Пример. х 2 + 10х = 39.
В оригинале эта задача формулируется следующим образом: "Квадрат и десять корней равны 39".
Рассмотрим квадрат со стороной х, на его сторонах строятся прямоугольники так, что другая сторона каждого из них равна 2,5, следовательно, площадь каждого равна 2,5x. Полученную фигуру дополняют затем до нового квадрата АВСD, достраивая в углах четыре равных квадрата, сторона каждого из них 2,5, а площадь 6,25
Рис. 3 Графический способ решения уравнения х 2 + 10х = 39
Площадь S квадрата ABCD можно представить как сумму площадей: первоначального квадрата х 2 , четырех прямоугольников (4∙2,5x = 10х) и четырех пристроенных квадратов (6,25∙ 4 = 25) , т.е. S = х 2 + 10х = 25. Заменяя х 2 + 10х числом 39, получим что S = 39+ 25 = 64, откуда следует, что сторона квадрата АВСD, т.е. отрезок АВ = 8. Для искомой стороны х первоначального квадрата получим
10. Решение уравнений с использованием теоремы Безу.
Теорема Безу. Остаток от деления многочлена P(x) на двучлен x - α равен P(α) (т.е. значению P(x) при x = α).
Если число α является корнем многочлена P(x), то этот многочлен делится на x -α без остатка.
Пример. х²-4х+3=0
Р(x)= х²-4х+3, α: ±1,±3, α =1, 1-4+3=0. Разделим Р(x) на (х-1):(х²-4х+3)/(х-1)=х-3
х²-4х+3=(х-1)(х-3), (х-1)(х-3)=0
х-1=0; х=1, или х-3=0, х=3; Ответ: х 1 =2, х 2 =3.
Вывод: Умение быстро и рационально решать квадратные уравнения просто необходимо для решения более сложных уравнений, например, дробно-рациональных уравнений, уравнений высших степеней, биквадратных уравнений, а в старшей школе тригонометрических, показательных и логарифмических уравнений. Изучив все найденные способы решения квадратных уравнений, мы можем посоветовать одноклассникам, кроме стандартных способов, решение способом переброски (6) и решение уравнений по свойству коэффициентов (7), так как они являются более доступными для понимания.
Литература:
- Брадис В.М. Четырехзначные математические таблицы. - М., Просвещение, 1990.
- Алгебра 8 класс: учебник для 8 кл. общеобразоват. учреждений Макарычев Ю. Н., Миндюк Н. Г., Нешков К. И., Суворова С. Б. под ред. С. А. Теляковского 15-е изд., дораб. - М.: Просвещение, 2015
- https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B2%D0%B0%D0%B4%D1%80%D0%B0%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D1%83%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5
- Глейзер Г.И. История математики в школе. Пособие для учителей. / Под ред. В.Н. Молодшего. - М.: Просвещение, 1964.
Некоторые задачи в математике требуют умения вычислять значение корня квадратного. К таким задачам относится решение уравнений второго порядка. В данной статье приведем эффективный метод вычисления квадратных корней и используем его при работе с формулами корней квадратного уравнения.
Что такое квадратный корень?
В математике этому понятию соответствует символ √. Исторические данные говорят, что он начал использоваться впервые приблизительно в первой половине XVI века в Германии (первый немецкий труд по алгебре Кристофа Рудольфа). Ученые полагают, что указанный символ является трансформированной латинской буквой r (radix означает "корень" на латыни).
Корень из какого-либо числа равен такому значению, квадрат которого соответствует подкоренному выражению. На языке математики это определение будет выглядеть так: √x = y, если y 2 = x.
Корень из положительного числа (x > 0) является также числом положительным (y > 0), однако если берут корень из отрицательного числа (x < 0), то его результатом уже будет комплексное число, включающее мнимую единицу i.
Приведем два простых примера:
√9 = 3, поскольку 3 2 = 9; √(-9) = 3i, поскольку i 2 = -1.
Итерационная формула Герона для нахождения значений корней квадратных
Приведенные выше примеры являются очень простыми, и вычисление корней в них не представляет никакого труда. Сложности начинают появляться уже при нахождении значений корня для любого значения, которое не может быть представлено в виде квадрата натурального числа, например √10, √11, √12, √13, не говоря уже о том, что на практике необходимо находить корни для нецелых чисел: например √(12,15), √(8,5) и так далее.
Во всех вышеназванных случаях следует применять специальный метод вычисления корня квадратного. В настоящее время таких методов известно несколько: например разложение в ряд Тейлора, деление столбиком и некоторые другие. Из всех известных методов, пожалуй, наиболее простым и эффективным является использование итерационной формулы Герона, которая также известна как вавилонский способ определения квадратных корней (существуют свидетельства, что древние вавилоняне применяли ее в своих практических вычислениях).
Пусть необходимо определить значение √x. Формула нахождения квадратного корня имеет следующий вид:
a n+1 = 1/2(a n +x/a n), где lim n->∞ (a n) => x.
Расшифруем эту математическую запись. Для вычисления √x следует взять некоторое число a 0 (оно может быть произвольным, однако для быстрого получения результата следует выбирать его таким, чтобы (a 0) 2 было максимально близко к x. Затем подставить его в указанную формулу вычисления квадратного корня и получить новое число a 1 , которое уже будет ближе к искомому значению. После этого необходимо уже a 1 подставить в выражение и получить a 2 . Эту процедуру следует повторять до получения необходимой точности.
Пример применения итерационной формулы Герона
Описанный выше алгоритм получения корня квадратного из некоторого заданного числа для многих может звучать достаточно сложно и запутанно, на деле же оказывается все гораздо проще, поскольку эта формула сходится очень быстро (особенно если выбрано удачное число a 0).
Приведем простой пример: необходимо вычислить √11. Выберем a 0 = 3, так как 3 2 = 9, что ближе к 11, чем 4 2 = 16. Подставляя в формулу, получим:
a 1 = 1/2(3 + 11/3) = 3,333333;
a 2 = 1/2(3,33333 + 11/3,33333) = 3,316668;
a 3 = 1/2(3,316668 + 11/3,316668) = 3,31662.
Дальше нет смысла продолжать вычисления, поскольку мы получили, что a 2 и a 3 начинают отличаться лишь в 5-м знаке после запятой. Таким образом, достаточно было применить всего 2 раза формулу, чтобы вычислить √11 с точностью до 0,0001.
В настоящее время широко используются калькуляторы и компьютеры для вычисления корней, тем не менее отмеченную формулу полезно запомнить, чтобы иметь возможность вручную вычислять их точное значение.
Уравнения второго порядка
Понимание того, что такое корень квадратный, и умение его вычислять используется при решении квадратных уравнений. Этими уравнениями называют равенства с одной неизвестной, общий вид которых приведен на рисунке ниже.
Здесь c, b и a представляют собой некоторые числа, причем a не должно равняться нулю, а значения c и b могут быть совершенно произвольными, в том числе и равными нулю.
Любые значения икса, удовлетворяющие указанному на рисунке равенству, называются его корнями (следует не путать это понятие с квадратным корнем √). Поскольку рассматриваемое уравнение имеет 2-й порядок (x 2), то корней для него не может быть больше, чем два числа. Рассмотрим далее в статье, как находить эти корни.
Нахождения корней квадратного уравнения (формула)
Этот способ решения рассматриваемого типа равенств также называется универсальным, или методом через дискриминант. Его можно применять для любых квадратных уравнений. Формула дискриминанта и корней квадратного уравнения имеет следующий вид:
Из нее видно, что корни зависят от значения каждого из трех коэффициентов уравнения. Более того, вычисление x 1 отличается от расчета x 2 только знаком перед корнем квадратным. Подкоренное выражение, которое равно b 2 - 4ac, является не чем иным, как дискриминантом рассматриваемого равенства. Дискриминант в формуле корней квадратного уравнения играет важную роль, поскольку он определяет число и тип решений. Так, если он равен нулю, то решение будет всего одно, если он положительный, то уравнение обладает двумя действительными корнями, наконец, отрицательный дискриминант приводит к двум комплексным корням x 1 и x 2 .
Теорема Виета или некоторые свойства корней уравнений второго порядка
В конце XVI века один из основоположников современной алгебры француз изучая уравнения второго порядка, смог получить свойства его корней. Математически их можно записать так:
x 1 + x 2 = -b / a и x 1 * x 2 = c / a.
Оба равенства легко может получить каждый, для этого необходимо лишь выполнить соответствующие математические операции с корнями, полученными через формулу с дискриминантом.
Совокупность этих двух выражений можно по праву назвать второй формулой корней квадратного уравнения, которая предоставляет возможность угадывать его решения, не используя при этом дискриминант. Здесь следует оговориться, что хотя оба выражения справедливы всегда, применять их для решения уравнения удобно только в том случае, если оно может быть разложено на множители.
Задача на закрепление полученных знаний
Решим математическую задачу, в которой продемонстрируем все приемы, обсуждаемые в статье. Условия задачи следующие: необходимо найти два числа, для которых произведение равно -13, а сумма составляет 4.
Это условие сразу напоминает о теореме Виета, применяя формулы суммы квадратных корней и их произведения, записываем:
x 1 + x 2 = -b / a = 4;
x 1 * x 2 = c / a = -13.
Если предположить, что a = 1, тогда b = -4 и c = -13. Эти коэффициенты позволяют составить уравнение второго порядка:
x 2 - 4x - 13 = 0.
Воспользуемся формулой с дискриминантом, получим следующие корни:
x 1,2 = (4 ± √D)/2, D = 16 - 4 * 1 * (-13) = 68.
То есть задача свелась к нахождению числа √68. Заметим, что 68 = 4 * 17, тогда, используя свойство квадратного корня, получим: √68 = 2√17.
Теперь воспользуемся рассмотренной формулой квадратного корня: a 0 = 4, тогда:
a 1 = 1/2(4 + 17/4) = 4,125;
a 2 = 1/2(4,125 + 17/4,125) = 4,1231.
В вычислении a 3 нет необходимости, поскольку найденные значения отличаются всего на 0,02. Таким образом, √68 = 8,246. Подставляя его в формулу для x 1,2 , получим:
x 1 = (4 + 8,246)/2 = 6,123 и x 2 = (4 - 8,246)/2 = -2,123.
Как видим, сумма найденных чисел действительно равна 4, если же найти их произведение, то оно будет равно -12,999, что удовлетворяет условию задачи с точностью до 0,001.
Эта тема поначалу может показаться сложной из-за множества не самых простых формул. Мало того что сами квадратные уравнения имеют длинные записи, еще и корни находятся через дискриминант. Всего получается три новые формулы. Не очень просто запомнить. Это удается только после частого решения таких уравнений. Тогда все формулы будут вспоминаться сами собой.
Общий вид квадратного уравнения
Здесь предложена их явная запись, когда самая большая степень записана первой, и дальше - по убыванию. Часто бывают ситуации, когда слагаемые стоят вразнобой. Тогда лучше переписать уравнение в порядке убывания степени у переменной.
Введем обозначения. Они представлены в таблице ниже.
Если принять эти обозначения, все квадратные уравнения сводятся к следующей записи.
Причем коэффициент а ≠ 0. Пусть эта формула будет обозначена номером один.
Когда уравнение задано, то непонятно, сколько корней будет в ответе. Потому что всегда возможен один из трех вариантов:
- в решении будет два корня;
- ответом будет одно число;
- корней у уравнения не будет совсем.
И пока решение не доведено до конца, сложно понять, какой из вариантов выпадет в конкретном случае.
Виды записей квадратных уравнений
В задачах могут встречаться их разные записи. Не всегда они будут выглядеть как общая формула квадратного уравнения. Иногда в ней будет не хватать некоторых слагаемых. То что было записано выше — это полное уравнение. Если в нем убрать второе или третье слагаемое, то получится нечто другое. Эти записи тоже называются квадратными уравнениями, только неполными.
Причем исчезнуть могут только слагаемые у которых коэффициенты «в» и «с». Число «а» не может быть равно нулю ни при каких условиях. Потому что в этом случае формула превращается в линейное уравнение. Формулы для неполного вида уравнений будут такими:
Итак, видов всего два, кроме полных, есть еще и неполные квадратные уравнения. Пусть первая формула будет иметь номер два, а вторая — три.
Дискриминант и зависимость количества корней от его значения
Это число нужно знать для того, чтобы вычислить корни уравнения. Оно может быть посчитано всегда, какой бы ни была формула квадратного уравнения. Для того чтобы вычислить дискриминант, нужно воспользоваться равенством, записанным ниже, которое будет иметь номер четыре.
После подстановки в эту формулу значений коэффициентов, можно получить числа с разными знаками. Если ответ положительный, то ответом уравнения будут два различных корня. При отрицательном числе корни квадратного уравнения будут отсутствовать. В случае его равенства нулю ответ будет один.
Как решается квадратное уравнение полного вида?
По сути, рассмотрение этого вопроса уже началось. Потому что сначала нужно найти дискриминант. После того как выяснено, что имеются корни квадратного уравнения, и известно их число, нужно воспользоваться формулами для переменных. Если корней два, то нужно применить такую формулу.
Поскольку в ней стоит знак «±», то значений будет два. Выражение под знаком квадратного корня — это дискриминант. Поэтому формулу можно переписать по-другому.
Формула номер пять. Из этой же записи видно, что если дискриминант равен нулю, то оба корня примут одинаковые значения.
Если решение квадратных уравнений еще не отработано, то лучше до того, как применять формулы дискриминанта и переменной, записать значения всех коэффициентов. Позже этот момент не будет вызывать трудностей. Но в самом начале бывает путаница.
Как решается квадратное уравнение неполного вида?
Здесь все гораздо проще. Даже нет необходимости в дополнительных формулах. И не понадобятся те, что уже были записаны для дискриминанта и неизвестной.
Сначала рассмотрим неполное уравнение под номером два. В этом равенстве полагается вынести неизвестную величину за скобку и решить линейное уравнение, которое останется в скобках. В ответе будет два корня. Первый - обязательно равен нулю, потому что имеется множитель, состоящий из самой переменной. Второй получится при решении линейного уравнения.
Неполное уравнение под номером три решается переносом числа из левой части равенства в правую. Потом нужно разделить на коэффициент, стоящий перед неизвестной. Останется только извлечь квадратный корень и не забыть записать его два раза с противоположными знаками.
Далее записаны некоторые действия, помогащие научиться решать всевозможные виды равенств, которые превращаются в квадратные уравнения. Они будут способствовать тому, что ученик сможет избежать ошибок по невнимательности. Эти недочеты бывают причиной плохих оценок при изучении обширной темы «Квадратные уравнения (8 класс)». Впоследствии эти действия не нужно будет постоянно выполнять. Потому что появится устойчивый навык.
- Сначала нужно записать уравнение в стандартном виде. То есть сначала слагаемое с самой большой степенью переменной, а потом - без степени и последним - просто число.
- Если перед коэффициентом «а» появляется минус, то он может усложнить работу для начинающего изучать квадратные уравнения. От него лучше избавиться. Для этой цели все равенство нужно умножить на «-1». Это значит, что у всех слагаемых изменится знак на противоположный.
- Таким же образом рекомендуется избавляться от дробей. Просто умножить уравнение на соответствующий множитель, чтобы знаменатели сократились.
Примеры
Требуется решить следующие квадратные уравнения:
х 2 − 7х = 0;
15 − 2х − х 2 = 0;
х 2 + 8 + 3х = 0;
12х + х 2 + 36 = 0;
(х+1) 2 + х + 1 = (х+1)(х+2).
Первое уравнение: х 2 − 7х = 0. Оно неполное, поэтому решается так, как было описано для формулы под номером два.
После вынесения за скобки получается: х (х - 7) = 0.
Первый корень принимает значение: х 1 = 0. Второй будет найден из линейного уравнения: х - 7 = 0. Легко заметить, что х 2 = 7.
Второе уравнение: 5х 2 + 30 = 0. Снова неполное. Только решается оно так, как описано для третьей формулы.
После перенесения 30 в правую часть равенства: 5х 2 = 30. Теперь нужно выполнить деление на 5. Получается: х 2 = 6. Ответами будут числа: х 1 = √6, х 2 = - √6.
Третье уравнение: 15 − 2х − х 2 = 0. Здесь и далее решение квадратных уравнений будет начинаться с их переписывания в стандартный вид: − х 2 − 2х + 15 = 0. Теперь пришло время воспользоваться вторым полезным советом и умножить все на минус единицу. Получается х 2 + 2х - 15 = 0. По четвертой формуле нужно вычислить дискриминант: Д = 2 2 - 4 * (- 15) = 4 + 60 = 64. Он представляет собой положительное число. Из того, что сказано выше, получается, что уравнение имеет два корня. Их нужно вычислить по пятой формуле. По ней получается, что х = (-2 ± √64) / 2 = (-2 ± 8) / 2. Тогда х 1 = 3, х 2 = - 5.
Четвертое уравнение х 2 + 8 + 3х = 0 преобразуется в такое: х 2 + 3х + 8 = 0. Его дискриминант равен такому значению: -23. Поскольку это число отрицательное, то ответом к этому заданию будет следующая запись: «Корней нет».
Пятое уравнение 12х + х 2 + 36 = 0 следует переписать так: х 2 + 12х + 36 = 0. После применения формулы для дискриминанта получается число ноль. Это означает, что у него будет один корень, а именно: х = -12/ (2 * 1) = -6.
Шестое уравнение (х+1) 2 + х + 1 = (х+1)(х+2) требует провести преобразования, которые заключаются в том, что нужно привести подобные слагаемые, до того раскрыв скобки. На месте первой окажется такое выражение: х 2 + 2х + 1. После равенства появится эта запись: х 2 + 3х + 2. После того как подобные слагаемые будут сосчитаны, уравнение примет вид: х 2 - х = 0. Оно превратилось в неполное. Подобное ему уже рассматривалось чуть выше. Корнями этого будут числа 0 и 1.