15. KubickÈ rovnice a rovnice vyööìho stupnï

Transkript

1 15. KubickÈ rovnice a rovnice vyööìho stupnï Čas od času je možné slyšet v pořadech o počasí jména jako Andrew, Mitch, El Ňiňo. otom následuje zpráva o katastrofálních vichřicích, uragánech a jiných mimořádných povětrnostních jevech, natolik významných, že obdržely vlastní jméno. V matematice je tomu podobně. Rovnice lineární, kvadratické a kubické (tj. třetího stupně) mají své vlastní názvy, protože je na jedné straně často řešíme, na druhé straně tyto rovnice popisují různé geometrické útvary, jako např. přímky, roviny a jiné rovinné či prostorové křivky či plochy. Bikvadratické rovnice (tj. speciální rovnice 4. stupně) získaly svůj název podle metody výpočtu, která připomíná řešení kvadratických rovnic. Všechny rovnice popsané v této kapitole jsou tzv. algebraické rovnice, tj. rovnice, kde se neznámá vyskytuje pouze jako základ nějaké mocniny s přirozeným exponentem, tj. jako x, x 2, x 3, x 4 atd. I. Aritmetika a algebra StupeÚ rovnice Jednotlivé algebraické rovnice jsou pojmenovány podle následujícího pravidla: Nejvyšší mocnina x určuje název rovnice. okud x vystupuje pouze jako první mocnina, jedná se o rovnici prvního stupně. Je-li nejvyšší mocninou x 2, jedná se o rovnici druhého stupně, atd. Exponent u nejvyšší mocniny neznámé x odpovídá tzv. stupni rovnice, a tím určuje její název. Lineární rovnice jsou tudíž rovnicemi prvního stupně, rovnice kvadratické rovnicemi stupně druhého, rovnice kubické rovnicemi stupně třetího. 167

2 I. Aritmetika a algebra KubickÈ rovnice Rovnice třetího stupně neboli kubické rovnice obsahují neznámou x jako třetí mocninu x 3, případně i jako nižší mocniny x 2 a x. Kubická rovnice má obecný tvar a 3 x 3 + a 2 x 2 + a 1 x+ a 0 = 0, kde a 3 0 Tato rovnice má nejvýše tři reálné kořeny. Na následujícím příkladu ukážeme, jak se tyto kořeny dají v některých jednodušších případech stanovit. Uvažujeme kubickou rovnici: x 3 3x 2 4x+ 12 = 0 V prvním kroku výpočtu stanovíme jeden kořen na základě dosazování. V následující podkapitole ukážeme, jak se to dělá. Hled nì ko ene kubickè rovnice dosazov nìm Jedná se o jednoduchou metodu řešení rovnice spočívající v tom, že jednotlivá čísla zvolená v závislosti na koeficientech rovnice dosazujeme do dané rovnice. okud dosazené číslo rovnici vyhovuje, kořen rovnice je nalezen. Je třeba zdůraznit, že uvedeným způsobem lze obvykle dojít k řešení rovnic, jejichž kořeny jsou malá celá čísla. Dosazováním takových čísel do dané rovnice se obvykle začíná. Výše uvedenou kubickou rovnici budeme řešit dosazováním. Vyjdeme z absolutního členu (členu neobsahujícího neznámou) rovnajícího se 12. Celočíselné dělitele čísla 12 jsou 1, 1, 2, 2, 3, 3, 4, 4, 6, 6. Dá se ukázat, že všechny celočíselné kořeny dané rovnice jsou mezi těmito děliteli. Tato čísla postupně dosazujeme do dané rovnice počínaje čísly nejmenšími v absolutní hodnotě (str. 151). 168

3 Nejmenší dělitele v absolutní hodnotě jsou 1 a 1, pokračujeme s čísly 2 a 2 atd. Číslo 1 dosadíme do dané rovnice x 3 3x 2 4 x+ 12 = 0 a dostáváme = 0 a odtud 6 = 0 Číslo 1 není kořenem dané rovnice, neboť 6 = 0 je nepravdivým výrokem. Číslo 1 dosadíme do dané rovnice x 3 3x 2 4 x+ 12 = 0 a dostáváme ( 1) 3 3 ( 1) 2 4 ( 1)+ 12 = 0 a odtud 12 = 0 Číslo 1 není kořenem dané rovnice, neboť 12 = 0 je nepravdivým výrokem. I. Aritmetika a algebra Číslo 2 dosadíme do dané rovnice x 3 3x 2 4 x + 12 = 0 a dostáváme = 0 a odtud 0 = 0 Číslo 2 je kořenem dané rovnice, neboť 0 = 0 je pravdivým výrokem. Další kořeny stanovíme pomocí dalšího kroku výpočtu uvedeného v následující podkapitole. DÏlenÌ mnohoëlen Celou rovnici dělíme výrazem (x x 1 ), kde x 1 je první nalezený kořen. V našem příkladu budeme dělit výrazem (x 2), neboť 2 byl první nalezený kořen. Uvedená metoda se nazývá dělení mnohočlenu, neboť dělencem je výraz x 3 3x 2 4 x + 12, což je tzv. mnohočlen (polynom) třetího stupně. odobně výraz ax 2 + bx + c, a 0 je polynom druhého stupně, ax + b, a 0 je polynom prvního stupně (viz též str. 173). ři dělení (x 3 3x 2 4x+ 12) : (x 2) dělíme mnohočlen x 3 3x 2 4x+ 12 mnohočlenem (x 2). 169

4 I. Aritmetika a algebra Řádek Dělenec Dělitel Výsledek Výpočty 1a (x 3 3x 2 4x + 12) : (x 2) = x 2 x 6 x 3 : x = x 2 b (x 3 2x 2 ) x 2 (x 2) = x 3 2x 2 c x 2 4x + 12 (x 3 3x 2 4x + 12) (x 3 2x 2 ) = x 2 4x a x 2 4x + 12 x 2 : x = x b ( x 2 + 2x) x (x 2) = x 2 + 2x c 6x + 12 ( x 2 4x + 12) ( x 2 + 2x) = = 6x a 6x x : x = 6 b ( 6x + 12) 6 (x 2) = 6x + 12 c 0 6x + 12 ( 6x + 12) = 0 Dělení mnohočlenů se v zásadě neliší od dělení čísel. Také zde se každý krok skládá ze tří částí: dělení, násobení a odčítání. Řádek 1a (dělení): Nejvyšší mocnina v dělenci ( x 3 ) se dělí nejvyšší mocninou v děliteli (x) : x 3 : x = x 2 Řádek 1b (násobení): Výsledek násobíme celým dělitelem (x 2): x 2 (x 2) = x 3 2x 2 Řádek 1c (odčítání): Od řádku 1a odečteme výraz x 3 2x 2, proto znak minus před závorkou v řádku 1b. Tyto tři kroky opakujeme ve zbývajících řádcích 2a až 3c. Smysl dělení polynomu vynikne, pokud převedeme levou stranu původní rovnice na součin: x 3 3x 2 4x + 12 = 0 ůvodní rovnice. (x 3 3x 2 4x + 12) : (x 2) = x 2 x 6 Dělení polynomu na levé straně rovnice a jeho výsledek. 170

5 x 3 3x 2 4x + 12 = x 2 x 6 (x 2) odíl vyjádřený jako zlomek. x 2 x 3 3x 2 4x + 12 = (x 2 x 6) (x 2) Dělenec vyjádřený jako součin podílu a dělitele. (x 2 x 6) (x 2) = 0 Nový tvar původní rovnice, kde je levá strana vyjádřena jako součin. Nová rovnice je ekvivalentní rovnici původní (obě rovnice mají stejnou množinu řešení), ale postup řešení nové rovnice je snazší. řipomínáme: Součin je rovný nule, právě když alespoň jeden jeho činitel je roven nule. Druhý činitel x 2 je roven nule pro x = 2. Toto řešení jsme stanovili již v kroku 1. Další krok výpočtu (stanovení dalších kořenů) vychází z nulovosti prvního činitele (x 2 x 6). Hodnoty x, pro které je první činitel roven nule, jsou kořeny kvadratické rovnice x 2 x 6 = 0. I. Aritmetika a algebra DokonËenÌ eöenì kubickè rovnice ñ eöenì dìlëì kvadratickè rovnice řipomínáme, že kvadratická rovnice tvaru ax 2 + bx+ c = 0 má následující kořeny: x 1, 2 = b ± p b2 & 4ac 2a 171

6 I. Aritmetika a algebra Dokončíme nyní řešení uvedené kubické rovnice řešením dílčí kvadratické rovnice: x 2 x 6 = 0 a = 1, b = 1, c = 6 x 2,3 = 1 ± p ( 1)2 4 1 ( 6) 2 1 x 2,3 = 1 ± p25& 2 Označíme koeficienty. Dosadíme do vzorce s diskriminantem. Vypočteme výraz pod odmocninou. oznámka k označení kořenů: Kořen x 1 již známe. Nyní počítáme kořeny x 2 a x 3. Vypočteme odmocninu. x 2,3 = 1 ± 5 2 x 2 = = 3 Kořen obsahující + 2 x 3 = 1 5 = 2 Kořen obsahující 2 Rozdělíme výraz pro výpočet obou kořenů x 2,3 na dva výrazy pro kořeny x 2 a x 3. K= { 2, 2, 3} Množina řešení dané kubické rovnice. Všechna řešení jsou reálná čísla. Cíle bylo dosaženo. Všechny tři kořeny jsou známy, x 1 = 2, x 2 = 3, x 3 = 2. AlgebraickÈ rovnice n-tèho stupnï Rovnice pátého stupně má obecný tvar ax 5 + b x 4 + c x 3 + d x 2 + e x + f = 0 ředpokládáme, že a 0 (kdyby a = 0, pak by byl stupeň rovnice nejvýše 4), ostatní koeficienty b, c, d, e, f jsou libovolná reálná čísla (mohou to být i nuly). 172

7 Budeme užívat zápisu a 5 x 5 + a 4 x 4 + a 3 x 3 + a 2 x 2 + a 1 x+ a 0 = 0 Toto označení koeficientů lépe určuje polohu koeficientu; index koeficientu (číslo umístěné níže než a) udává, k jaké mocnině neznámé x koeficient přísluší. Například a 3 je koeficient před x 3. okud je a 3 = 0, znamená to, že v dané rovnici se mocnina x 3 nenachází. Rovnice n-tého stupně má obecný tvar: a n x n + a n-1 x n a 3 x 3 + a 2 x 2 + a 1 x+ a 0 = 0, kde a n 0 Výraz na levé straně uvedené rovnice se nazývá mnohočlen (polynom) n-tého stupně. I. Aritmetika a algebra Každá algebraická rovnice, tj. rovnice, kde neznámá x vystupuje pouze jako mocnina s celým kladným exponentem, se dá zapsat uvedeným způsobem. Rovnice x 4 3 = 0 je rovnicí čtvrtého stupně s koeficienty a 4 = 1, a 3 = 0, a 2 = 0, a 1 = 0, a 0 = 3 odrobně se všemi koeficienty a mocninami x můžeme uvedenou rovnici napsat následovně: 1 x x x x + ( 3) = 0 Z tohoto zápisu je zřejmé, že nepřítomnost mocnin x 3, x 2 a x v dané rovnici je způsobena tím, že odpovídající koeficienty jsou rovny nule. V kapitole o kvadratických rovnicích (str. 149) jsme ukázali, že kvadratická rovnice má dvě, jedno nebo žádné reálné řešení. Jinými slovy, kvadratická rovnice, tj. rovnice druhého stupně má nejvýše dvě reálná řešení. odobně lineární rovnice, tj. rovnice prvního stupně má jediné reálné řešení. ro rovnici n-tého řádu obecně platí: Rovnice n-tého řádu má nejvýše n reálných řešení (kořenů). 173

8 I. Aritmetika a algebra odobně jako kubické rovnice i rovnice čtvrtého a vyššího stupně řešíme dosazovací metodou v kombinaci s metodou dělení mnohočlenů. Metoda byla popsána v předchozí podkapitole. Zde jen zdůrazníme, že dosazovací metodou nemusíme dospět k cíli, pokud žádný kořen nebude celočíselný. Dá se ukázat, že jiné celočíselné kořeny než dělitele absolutního členu rovnice nemá. o každém stanovení kořene (např. x 1 ) dosazovací metodou dělíme rovnici výrazem (x x 1 ); vzniklá rovnice je stupně o 1 nižšího a opětovné použití dosazovací metody je snazší. V následující podkapitole uvedeme postup hledání kořenů pro speciální případ rovnice čtvrtého stupně. Rovnice ËtvrtÈho stupnï Rovnice čtvrtého stupně má obecný tvar a 4 x 4 + a 3 x 3 + a 2 x 2 + a 1 x+ a 0 = 0 Rovnice má nejvýše čtyři reálné kořeny, které lze stanovit (pokud jsou celočíselné) za pomoci dosazování a dělení mnohočlenu stejně jako v případě rovnice kubické (viz podkapitolu Kubická rovnice, str. 168 a Dělení mnohočlenů, str. 169). Jednodušší postup řešení se nabízí v případě, že se jedná o speciální případ rovnice čtvrtého stupně, tzv. rovnici bikvadratickou. Kořeny této rovnice se dají najít pomocí vzorce s diskriminantem pro rovnice kvadratické. Způsob řešení je založen na zajímavé myšlence a není příliš pracný. Rovnice bikvadratickè Rovnice x 4 13x = 0 je rovnicí čtvrtého stupně vyznačující se tím, že obsahuje pouze sudé mocniny neznámé x. To se ukáže jako rozhodující v následujícím postupu výpočtu, který nevyžaduje dělení mnohočlenů. Bikvadratickými rovnicemi rozumíme rovnice typu a 4 x 4 + a 2 x 2 + a 0 = 0, kde a

9 Ve srovnání s obvyklou kvadratickou rovnicí ax 2 + bx+ c = 0 má bikvadratická rovnice a 4 x 4 + a 2 x 2 + a 0 = 0 dvojnásobné exponenty u neznámé x. roto se jí také říká bikvadratická neboli dvoukvadratická. V následujícím příkladu bude ilustrován postup využívající uvedenou souvislost s kvadratickou rovnicí. Řešme rovnici x 4 13x = 0. V uvedené rovnici nahradíme výraz x 2 novou neznámou u (a tudíž výraz x 4 = (x 2 ) 2 nahradíme výrazem u 2 ) a dostáváme kvadratickou rovnici u 2 13u + 36 = 0. Nyní již můžeme použít vzorec pro kořeny kvadratické rovnice (str. 154): u 2 13u + 36 = 0 Stanovíme koeficienty a, b, c. a = 1, b = 13, c = 36 Dosadíme je do vzorce pro kořeny kvadratické rovnice. u 1,2 = 13 ± p ( 13) u 1,2 = 13 ± p25& 2 Vzorec s diskriminantem. Řešení označíme u 1, u 2, protože neznámou v kvadratické rovnici je u. Vypočteme výraz pod odmocninou. Ve výrazu odmocníme a výraz rozdělíme na dva kořeny. u 1 = 18 2 = 9 Kořen s + I. Aritmetika a algebra u 2 = 8 2 = 4 Kořen s Stanovili jsme dvě řešení kvadratické rovnice: u 1 = 9, u 2 = 4. Úloha není ještě zcela rozřešena, protože naším cílem je stanovit kořeny bikvadratické rovnice x 4 13x = 0. Je třeba se vrátit k původní neznámé x: Uvažujme tedy opět kvadratickou rovnici u 2 13u + 36 = 0: 1. řešení 2. řešení u= 9 výsledek výpočtu u= 4 u= x 2 dosazení u= x 2 x 2 = 9 návrat k původní neznámé x 2 = 4 175

10 I. Aritmetika a algebra o návratu k původní neznámé provedeme další výpočty: x 2 = 9 odmocníme x 2 = 4 ozor: pro každou rovnici dostaneme dvě řešení! x 1,2 = ± 3 Rozdělíme na kladná x 3,4 = ± 2 a záporná řešení: x 1 = 3 kladná řešení x 3 = 2 x 2 = 3 záporná řešení x 4 = 2 Cíle bylo dosaženo: stanovili jsme čtyři kořeny dané bikvadratické rovnice. Všechna řešení jsou reálná čísla, množinou řešení je K = { 3, 2, 2, 3}. Uvedeným způsobem lze řešit všechny bikvadratické rovnice. Metoda nahrazování neznámých se nazývá substituce. Tuto metodu lze použít uvedeným způsobem jen tehdy, jsou-li všechny exponenty u neznámé sudé. 176

11 lohy 1. Stanovte množinu řešení pro následující rovnice řešené v oboru reálných čísel: a) x 3 2x 2 x + 2 = 0 b) x 3 + 5x 2 2x 24 = 0 c) 2x 3 10x x = 0 2. Stanovte množinu řešení pro následující rovnice. Navrhujeme následující způsob řešení: 1. Dosazením rozhodněte, které z uvedených hodnot jsou kořeny dané rovnice. 2. Dělte mnohočlen odpovídajícím kořenovým činitelem: (x kořen). 3. oužijte vzorec pro řešení kvadratické rovnice. 4. Rozhodněte, zda nalezené řešení patří do definičního oboru dané rovnice a) D =, x 2 4x 3 x x 12 = 0 možná řešení: 3, 2, 1, 0, 1, 2, 3 b) D = +, x 2 + 2x 2 6x 16 = 0 možná řešení: 0, 1, 2, 3 I. Aritmetika a algebra 3. Ke stanovení množiny řešení daných bikvadratických rovnic navrhujeme následující způsob řešení: 1. Nahraďte určitou mocninu o základu x novou neznámou u tak, aby vznikla kvadratická rovnice tvaru au 2 + bu+ c = odle vzorce s diskriminantem stanovte řešení uvedené kvadratické rovnice o neznámé u. 3. Nahraďte zpětně neznámou u odpovídající mocninou x. 4. Stanovte původní neznámé x. a) x 4 13x = 0 b) 2x 4 + 4x 2 16 = 0 D = D = c) x 6 + 7x 3 8 = 0 (Tato rovnice je trojkvadratická.) D = 177

12 I. Aritmetika a algebra ÿeöenì 1. a) K = { 1, 1, 2} b) K = { 4, 3, 2} c) K = {0, 2, 3} Z výrazu na levé straně vytkneme x. rvní řešení je x= a) x 1 = 2, x 2 = 1 Kořeny jsou 2 a 1. x 3 = 2, x 4 = 3 Kořenové činitele jsou (x + 2) a (x 1). x 2 5x + 6 = 0 K = { 2, 1, 2, 3} (Dílčí) kvadratická rovnice. b) x 1 = 2, x 2 = 2 Kořeny jsou 2 a 2. x 2 2x + 4 = 0 Kořenové činitele jsou (x + 2) a (x 2). (Dílčí) kvadratická rovnice. K = {2} Jiná řešení nejsou, 2 nepatří do definičního oboru! 3. a) Dosazení u= x 2. x 1 = 3, x 2 = 3 Kvadratická rovnice u 2 13u + 36 = 0. x 3 = 2, x 4 = 2 Řešení v neznámé u : u 1 = 9, u 2 = 4 K = { 3, 2, 2, 3} Návrat k neznámé x: x 2 = 9, x 2 = 4 b) Dosazení u= x 2. Kvadratická rovnice: 2u 2 +4u 16 = 0 x 1 = %2&, x 2 = %2& Řešení v neznámé u : u 1 = 2, u 2 = 4 K = { %2&, %2&} Návrat k neznámé x: x 2 = 2, x 2 = 4 (tato rovnice nemá reálné řešení) c) Dosazení u= x 2. Kvadratická rovnice u 2 +7u 8 = 0. x 1 = 2, x 2 = 1 Řešení v neznámé u : u 1 = 8, u 2 = 1 K = { 2, 1} Návrat k neznámé x: x 3 = 8, x 3 = 1 178