Naszczicuj wykres funkcji i odczytaj z niego miejsca zerowe tej funkcji [odcięte punktów, w których wykres przecina oś \(OX\), czyli wartości \(x\), dla których \(y = 0\)].
a) \(y = x^2 - 4x\)
Po przekształceniu do postaci kanonicznej [postać z widocznym wierzchołkiem paraboli \(y = a(x-p)^2 + q\)] mamy:
$$y = (x - 2)^2 - 4$$
Z wykresu można odczytać miejsca zerowe: \(x = 0\) i \(x = 4\).
b) \(y = x^2 + 2x - 2\)
Po przekształceniu do postaci kanonicznej mamy:
$$y = (x + 1)^2 - 3$$
Z wykresu można odczytać tylko przybliżone wartości miejsc zerowych [punkty przeciecia z osią \(OX\) nie leżą idealnie na kratkach]. Wyznaczenie ich dokładnych wartości wymaga rozwiązania równania \(x^2 + 2x - 2 = 0\) [przyrównania wzoru funkcji do zera].
Rozwiązania równania kwadratowego \(ax^2 + bx + c = 0\) (\(a \neq 0\)) to miejsca zerowe funkcji \(y = ax^2 + bx + c\) [wartości \(x\), dla których cały trójmian zeruje się].
Ćwiczenie 1
Na poniższych rysunkach przedstawiono możliwe położenia wykresu funkcji kwadratowej względem osi \(OX\). Ile rozwiązań może mieć równanie kwadratowe \(ax^2 + bx + c = 0\), gdzie \(a \neq 0\)?
Rozwiązanie krok po kroku:
Co robimy i po co: Analizujemy liczbę punktów wspólnych paraboli z osią \(OX\) [miejsca zerowe odpowiadają rozwiązaniom równania].
Komentarz słowny:
Gdy parabola przecina oś \(OX\) w dwóch punktach (pierwszy i czwarty wykres), równanie ma dwie wartości \(x\) spełniające warunek[dwa rozwiązania].
Gdy parabola styka się z osią \(OX\) swoim wierzchołkiem (drugi i piąty wykres), równanie ma dokładnie jedną wartość \(x\) spełniającą warunek[jedne rozwiązanie].
Gdy parabola leży w całości nad albo pod osią \(OX\) i nie dotyka jej (trzeci i szósty wykres), równanie nie posiada żadnej wartości \(x\) spełniającej warunek[brak rozwiązań].
Podsumowanie i wniosek: Równanie kwadratowe może mieć dwa rozwiązania, jedno rozwiązanie lub nie mieć rozwiązań wcale (0 rozwiązań).
Rozwiązanie równania z niewiadomą \(x\) polega na wyznaczeniu wszystkich wartości \(x\), dla których to równanie jest spełnione [znalezieniu takich liczb, które po wstawieniu w miejsce \(x\) dają prawdę]. Zbiór tych \(x\) nazywamy zbiorem rozwiązań równania. Rozwiązania równania nazywane są również jego pierwiastkami[oficjalne określenie na wynik równania].
Przykład 2
Podaj zbiór rozwiązań równania \(4x^2 - 8x = 0\).
Dla dowolnych \(a, b \in \mathbb{R}\): \(a \cdot b = 0\) wtedy i tylko wtedy, gdy \(a = 0\) lub \(b = 0\) [iloczyn dwóch liczb daje zero tylko wtedy, gdy przynajmniej jedna z nich jest zerem].
Lewą stronę równania rozkładamy na czynniki [wyciągamy wspólny czynnik przed nawias]:
$$4x(x - 2) = 0$$
czyli \(x = 0\) lub \(x - 2 = 0\), zatem \(x = 0\) lub \(x = 2\).
Zbiorem rozwiązań równania jest zbiór \(\{0, 2\}\).
Ćwiczenie 2
Podaj zbiór rozwiązań równania.
a) \(3x^2 + 6x = 0\)
Co robimy i po co: Wyciągamy wspólny czynnik \(3x\) przed nawias, aby zamienić sumę na iloczyn [postać iloczynowa pozwala łatwo znaleźć pierwiastki].
Komentarz słowny:
$$3x(x + 2) = 0$$
Iloczyn wynosi zero, więc przyrównujemy każdy z czynników do zera:
\(3x = 0 \implies x = 0\)
lub
\(x + 2 = 0 \implies x = -2\) (przenosimy \(2\) na prawą stronę ze zmianą znaku).
Podsumowanie i wniosek: Zbiorem rozwiązań równania jest zbiór \(\{-2, 0\}\).
b) \(7x - 3x^2 = 0\)
Co robimy i po co: Wyciągamy przed nawias niewiadomą \(x\) [szukamy wspólnej części obu wyrazów].
Komentarz słowny:
$$x(7 - 3x) = 0$$
Przyrównujemy czynniki do zera:
\(x = 0\)
lub
\(7 - 3x = 0 \implies -3x = -7 \implies x = \frac{-7}{-3} = \frac{7}{3} = 2\frac{1}{3}\) [dzielimy obustronnie przez \(-3\)].
Podsumowanie i wniosek: Zbiorem rozwiązań jest zbiór \(\left\{0, 2\frac{1}{3}\right\}\) (lub \(\left\{0, \frac{7}{3}\right\}\)).
c) \(2x^2 = 5x\)
Co robimy i po co: Przenosimy wszystkie wyrazy na lewą stronę, aby po prawej otrzymać zero [podstawowy krok przy równaniach kwadratowych].
Komentarz słowny:
$$2x^2 - 5x = 0$$
Wyciągamy \(x\) przed nawias:
$$x(2x - 5) = 0$$
Rozbijamy na dwa warunki:
\(x = 0\)
lub
\(2x - 5 = 0 \implies 2x = 5 \implies x = \frac{5}{2} = 2\frac{1}{2}\).
Podsumowanie i wniosek: Zbiorem rozwiązań równania jest zbiór \(\left\{0, 2\frac{1}{2}\right\}\).
d) \(8x = \frac{1}{2}x^2\)
Co robimy i po co: Przenosimy wszystko na jedną stronę i porządkujemy równanie [zerujemy prawą stronę].
Komentarz słowny:
$$8x - \frac{1}{2}x^2 = 0$$
Wyciągamy \(x\) przed nawias:
$$x\left(8 - \frac{1}{2}x\right) = 0$$
Przyrównujemy czynniki do zera:
\(x = 0\)
lub
\(8 - \frac{1}{2}x = 0 \implies -\frac{1}{2}x = -8 \implies x = -8 \cdot (-2) = 16\) [mnożymy przez \(-2\), aby pozbyć się ułamka przy \(x\)].
Podsumowanie i wniosek: Zbiorem rozwiązań jest zbiór \(\{0, 16\}\).
W niektórych przykładach przy rozkładzie trójmianu kwadratowego na czynniki liniowe możemy skorzystać ze wzorów skróconego mnożenia [gotowe wzory ułatwiające rozkład na nawiasy].
Zatem liczba \(2\) jest jedynym pierwiastkiem tego równania.
Ćwiczenie 4
Rozwiąż równanie.
a) \(x^2 + 8x + 16 = 0\)
Co robimy i po co: Zwijamy lewą stronę równania za pomocą wzoru skróconego mnożenia na kwadrat sumy \((a+b)^2 = a^2 + 2ab + b^2\), gdzie \(a = x\), \(b = 4\).
Komentarz słowny:
$$(x + 4)^2 = 0$$
Kwadrat jakiejś liczby jest równy zero tylko wtedy, gdy ta liczba jest zerem:
$$x + 4 = 0 \implies x = -4$$
Podsumowanie i wniosek: Liczba \(-4\) jest jedynym rozwiązaniem (pierwiastkiem podwójnym) tego równania.
b) \(x^2 - x + \frac{1}{4} = 0\)
Co robimy i po co: Zwijamy lewą stronę ze wzoru na kwadrat różnicy \((a-b)^2\), gdzie \(a = x\), \(b = \frac{1}{2}\) (bo \(2 \cdot x \cdot \frac{1}{2} = x\) oraz \(\left(\frac{1}{2}\right)^2 = \frac{1}{4}\)).
Komentarz słowny:
$$\left(x - \frac{1}{2}\right)^2 = 0$$
Przyrównujemy wnętrze nawiasu do zera:
$$x - \frac{1}{2} = 0 \implies x = \frac{1}{2}$$
Podsumowanie i wniosek: Równanie ma jedno rozwiązanie \(x = \frac{1}{2}\).
c) \(4x^2 + 4x + 1 = 0\)
Co robimy i po co: Stosujemy wzór na kwadrat sumy dla \(a = 2x\) i \(b = 1\).
Podsumowanie i wniosek: Jedynym pierwiastkiem równania jest \(x = -3\).
1.6. Równania kwadratowe (2)
Przykład 1
Rozwiąż równanie \(4x^2 + 20x + 25 = 0\).
Korzystamy ze wzoru \((a+b)^2 = a^2 + 2ab + b^2\):
$$(2x + 5)^2 = 0$$
$$2x + 5 = 0$$
Równanie ma jeden pierwiastek: \(x = -\frac{5}{2}\).
Czy wiesz, że...
Równania kwadratowe były rozwiązywane już przez starożytnych Babilończyków około 1800 r. p.n.e. Świadczą o tym zachowane gliniane tabliczki z pismem klinowym.
Ćwiczenie 1
Rozwiąż równanie.
a) \(9x^2 - 12x + 4 = 0\)
Co robimy i po co: Rozpoznajemy wzór skróconego mnożenia na kwadrat różnicy \((a-b)^2\), gdzie \(a = 3x\) oraz \(b = 2\) (sprawdzamy: \(2 \cdot 3x \cdot 2 = 12x\)).
Równanie to jest sprzeczne[brak rozwiązań], gdyż \((2x - 5)^2 \ge 0\) dla dowolnego \(x \in \mathbb{R}\) [kwadrat dowolnej liczby rzeczywistej nie może być liczbą ujemną].
[D] Ćwiczenie 2
Uzasadnij, że podane równanie jest sprzeczne.
a) \(x^2 - 2x + 2 = 0\)
Co robimy i po co: Dopełniamy lewą stronę do kwadratu [wyodrębniamy wzór skróconego mnożenia z pierwszych dwóch wyrazów], aby wykazać sprzeczność.
Komentarz słowny:
Zauważmy, że \(x^2 - 2x = (x - 1)^2 - 1\). Podstawiamy to do równania:
$$(x - 1)^2 - 1 + 2 = 0$$
$$(x - 1)^2 + 1 = 0 \implies (x - 1)^2 = -1$$
Kwadrat liczby \((x - 1)^2\) jest zawsze nieujemny [wiemy, że podniesienie do kwadratu daje wynik \(\ge 0\)], a po prawej stronie mamy liczbę ujemną \(-1\).
Podsumowanie i wniosek: Równanie \((x - 1)^2 = -1\) nie ma rozwiązań w zbiorze liczb rzeczywistych, czyli jest sprzeczne.
b) \(x^2 + 6x + 12 = 0\)
Co robimy i po co: Przekształcamy równanie poprzez dopełnienie do kwadratu z wyrażenia \(x^2 + 6x\).
Równanie ma dwa pierwiastki: \(x = \frac{5 - \sqrt{2}}{2}\), \(x = \frac{5 + \sqrt{2}}{2}\).
Ćwiczenie 3
Rozwiąż równanie.
a) \(x^2 - 2x - 3 = 0\)
Co robimy i po co: Dopełniamy do kwadratu wyrażenie \(x^2 - 2x\), zamieniając je na \((x - 1)^2 - 1\).
Komentarz słowny:
$$(x - 1)^2 - 1 - 3 = 0$$
$$(x - 1)^2 - 4 = 0 \implies (x - 1)^2 = 4$$
Wyciągamy pierwiastek z obu stron (pamiętając o dwóch możliwościach: dodatniej i ujemnej):
\(x - 1 = -2\) lub \(x - 1 = 2\)
\(x = -2 + 1 = -1\) lub \(x = 2 + 1 = 3\).
Podsumowanie i wniosek: Równanie ma dwa rozwiązania: \(x = -1\) oraz \(x = 3\).
b) \(x^2 + 6x + 8 = 0\)
Co robimy i po co: Wykorzystujemy zwijanie \(x^2 + 6x\) do \((x + 3)^2 - 9\).
Komentarz słowny:
$$(x + 3)^2 - 9 + 8 = 0$$
$$(x + 3)^2 - 1 = 0 \implies (x + 3)^2 = 1$$
Rozbijamy na dwie możliwości:
\(x + 3 = -1 \implies x = -4\)
lub
\(x + 3 = 1 \implies x = -2\).
Podsumowanie i wniosek: Pierwiastkami tego równania są liczby \(x = -4\) oraz \(x = -2\).
c) \(x^2 + 6x + 7 = 0\)
Co robimy i po co: Stosujemy metodę dopełniania do kwadratu dla \(x^2 + 6x = (x + 3)^2 - 9\).
Komentarz słowny:
$$(x + 3)^2 - 9 + 7 = 0$$
$$(x + 3)^2 - 2 = 0 \implies (x + 3)^2 = 2$$
Nakładamy pierwiastek:
\(x + 3 = -\sqrt{2} \implies x = -3 - \sqrt{2}\)
lub
\(x + 3 = \sqrt{2} \implies x = -3 + \sqrt{2}\).
Podsumowanie i wniosek: Równanie posiada dwa rozwiązania: \(x = -3 - \sqrt{2}\) oraz \(x = -3 + \sqrt{2}\).
Postępując tak jak w przykładach 1–3, możemy rozwiązać dowolne równanie kwadratowe. Zwykle korzystamy jednak ze wzorów podanych w poniższym twierdzeniu.
Twierdzenie (Wzory na pierwiastki równania kwadratowego)
Rozważmy równanie kwadratowe \(ax^2 + bx + c = 0\), gdzie \(a \neq 0\) [forma ogólna równania kwadratowego].
Jeśli \(\Delta > 0\), to równanie ma dwa pierwiastki:
gdzie \(\Delta = b^2 - 4ac\)[wyróżnik równania kwadratowego, tzw. "delta"].
Jeśli \(\Delta = 0\), to równanie ma jeden pierwiastek:
$$x_0 = -\frac{b}{2a}$$
Jeśli \(\Delta < 0\), to równanie nie ma pierwiastków (jest sprzeczne) [nie można wyciągnąć pierwiastka z liczby ujemnej w zbiorze liczb rzeczywistych].
Dowód
Zapiszmy trójmian w postaci kanonicznej: \(ax^2 + bx + c = a\left(x + \frac{b}{2a}\right)^2 - \frac{\Delta}{4a}\). Stąd \(ax^2 + bx + c = 0\), gdy \(a\left(x + \frac{b}{2a}\right)^2 - \frac{\Delta}{4a} = 0\), co oznacza, że:
Podsumowanie i wniosek: Równanie posiada dwa rozwiązania.
Interpretacja geometryczna równania kwadratowego
Rozwiązania równania kwadratowego \(ax^2 + bx + c = 0\) są miejscami zerowymi funkcji \(y = ax^2 + bx + c\). Są one zatem odciętymi punktów przecięcia odpowiedniej paraboli z osią \(OX\) [współrzędnymi \(x\) punktów na osi poziomej].
Poniżej przedstawiono możliwe położenia paraboli \(y = ax^2 + bx + c\) względem osi \(OX\) w zależności od współczynnika \(a\) i wyróżnika \(\Delta\):
1. \(a > 0, \Delta > 0\): parabola uśmiechnięta, przecina oś OX w 2 punktach (dwa miejsca zerowe)
2. \(a > 0, \Delta = 0\): parabola uśmiechnięta, styka się z osią OX w 1 punkcie (jedno miejsce zerowe)
3. \(a > 0, \Delta < 0\): parabola uśmiechnięta, wisząca nad osią OX (brak miejsc zerowych)
4. \(a < 0, \Delta > 0\): parabola smutna, przecina oś OX w 2 punktach (dwa miejsca zerowe)
5. \(a < 0, \Delta = 0\): parabola smutna, styka się z osią OX w 1 punkcie (jedno miejsce zerowe)
6. \(a < 0, \Delta < 0\): parabola smutna, znajdująca się pod osią OX (brak miejsc zerowych)]
Wartość wyróżnika \(\Delta = -\frac{7}{4} < 0\) jest ujemna.
Podsumowanie i wniosek: Równanie nie posiada pierwiastków rzeczywistych (jest sprzeczne).
ETAP 2: Baza Zadań Utrwalających z Testów Nowej Ery (Grupa A)
Kompletne rozwiązania krok po kroku z objaśnieniem słownym do lekcji 1.5 i 1.6
Zadanie 25 (Grupa A)
3 pkt
Rozwiąż równanie.
a) \((x-3)(2x+6)+3(5x+6)=5(3x+2)\)
b) \(\frac{(x-8)(x+5)}{4}=-5(x+2)\)
Pełne rozwiązanie krok po kroku — podpunkt a:
Intuicja („Dlaczego tak?”): Naszym celem jest wymnożenie wszystkich nawiasów, zredukowanie wyrazów podobnych i doprowadzenie równania do postaci trójmianu kwadratowego \(ax^2 + bx + c = 0\) [lub wyciągnięcie czynnika przed nawias].
Upraszczamy lewą stronę (zauważamy, że \(-18\) i \(+18\) redukują się do \(0\)):
$$2x^2 + 15x = 15x + 10$$
Przenosimy wszystkie wyrażenia na lewą stronę, aby po prawej otrzymać zero:
$$2x^2 + 15x - 15x - 10 = 0$$
$$2x^2 - 10 = 0$$
Wyznaczamy \(x^2\):
$$2x^2 = 10 \implies x^2 = 5$$
Wyciągamy pierwiastek kwadratowy. Pamiętamy, że równanie \(x^2 = 5\) ma dwa rozwiązania (dodatnie i ujemne):
$$x = -\sqrt{5} \quad \text{lub} \quad x = \sqrt{5}$$
Podsumowanie i wniosek: Równanie ma dwa rozwiązania: \(x = -\sqrt{5}\) oraz \(x = \sqrt{5}\).
Pełne rozwiązanie krok po kroku — podpunkt b:
Intuicja („Dlaczego tak?”): Najpierw pozbywamy się ułamka (mianownika \(4\)), mnożąc obustronnie przez \(4\). Następnie wykonujemy mnożenie, przenosimy wszystko na jedną stronę i rozwiązujemy równanie kwadratowe.
Krok po kroku z komentarzem:
Mnożymy obie strony równania przez \(4\):
$$(x-8)(x+5) = -20(x+2)$$
Rozwijamy nawiasy po obu stronach:
$$x^2 + 5x - 8x - 40 = -20x - 40$$
$$x^2 - 3x - 40 = -20x - 40$$
Przenosimy wszystko na lewą stronę:
$$x^2 - 3x + 20x - 40 + 40 = 0$$
$$x^2 + 17x = 0$$
Rozkładamy na czynniki poprzez wyciągnięcie niewiadomej \(x\) przed nawias:
$$x(x + 17) = 0$$
Przyrównujemy każdy czynniki do zera:
$$x = 0 \quad \text{lub} \quad x + 17 = 0 \implies x = -17$$
Podsumowanie i wniosek: Rozwiązaniami równania są liczby \(x = 0\) oraz \(x = -17\).
Zadanie 26 (Grupa A)
3 pkt
Rozwiąż równanie \((4x^2-1)(4x^2+4)(4x+1)=0\).
Pełne rozwiązanie krok po kroku:
Intuicja („Dlaczego tak?”): Mamy iloczyn trzech nawiasów równy zero. Iloczyn wynosi zero wtedy i tylko wtedy, gdy co najmniej jeden z czynników (nawiasów) jest równy zero. Sprawdzamy każdy nawias osobno.
Podsumowanie i wniosek: Równanie ma trzy rozwiązania rzeczywiste: \(x = -\frac{1}{2}\), \(x = \frac{1}{2}\) oraz \(x = -\frac{1}{4}\).
Zadanie 27 (Grupa A)
3 pkt
Rozwiąż równanie.
a) \((4+\sqrt{3})(x-6)=(2x+\sqrt{3})(x-6)\)
b) \((5x+2)(3x-7)=(3x-7)(6+2x)\)
Pełne rozwiązanie krok po kroku — podpunkt a:
Intuicja („Dlaczego tak?”): Zamiast mnożyć wszystko (co skomplikowałoby rachunki z pierwiastkami), przenosimy prawą stronę na lewą i wyciągamy wspólny nawias \((x-6)\) przed nawias.
Krok po kroku z komentarzem:
Przenosimy całe wyrażenie z prawej strony na lewą ze zmianą znaku:
$$(4+\sqrt{3})(x-6) - (2x+\sqrt{3})(x-6) = 0$$
Wyciągamy wspólny nawias \((x-6)\) przed nawias kwadratowy:
Podsumowanie i wniosek: Rozwiązaniami równania są liczby \(x = 6\) oraz \(x = 2\).
Pełne rozwiązanie krok po kroku — podpunkt b:
Intuicja („Dlaczego tak?”): Podobnie jak w podpunkcie a), przenosimy wszystkie wyrażenia na lewą stronę i wyłączamy wspólny czynnik \((3x-7)\) przed nawias.
Podsumowanie i wniosek: Rozwiązaniami równania są liczby \(x = 1\frac{1}{3}\) oraz \(x = 2\frac{1}{3}\).
Zadanie 28 (Grupa A)
3 pkt
Rozwiąż równanie \((2x-5)^2=(5x-2)^2\).
Pełne rozwiązanie krok po kroku:
Intuicja („Dlaczego tak?”): Możemy podnieść oba nawiasy do kwadratu przy użyciu wzorów skróconego mnożenia \((a-b)^2 = a^2 - 2ab + b^2\), a następnie przenieść wszystko na jedną stronę i rozwiązać trójmian.
Podsumowanie i wniosek: Równanie ma dwa rozwiązania: \(x = -1\) oraz \(x = 1\).
Zadanie 29 (Grupa A)
1 pkt
Liczby 3 i 4 są rozwiązaniami równania:
A. \(x^2+7x-12=0\)
B. \(x^2-7x+12=0\)
C. \(-x^2+7x+12=0\)
D. \((x+3)(x+4)=0\)
Pełne rozwiązanie krok po kroku:
Intuicja („Dlaczego tak?”): Jeśli liczby \(x_1 = 3\) oraz \(x_2 = 4\) są rozwiązaniami równania, to postać iloczynowa tego trójmianu ma postać \(a(x - 3)(x - 4) = 0\).
Porównujemy z odpowiedziami z treści zadania: pasuje odpowiedź B.
Podsumowanie i wniosek: Prawidłową odpowiedzią jest B.
Zadanie 31 (Grupa A)
2 pkt
Wyznacz miejsca zerowe funkcji \(f(x)=2x^2+5x\).
Pełne rozwiązanie krok po kroku:
Intuicja („Dlaczego tak?”): Miejsca zerowe to takie argumenty \(x\), dla których wartość funkcji \(f(x)\) wynosi zero. Należy rozwiązać równanie \(2x^2 + 5x = 0\).
Krok po kroku z komentarzem:
Przyrównujemy wzór funkcji do zera:
$$2x^2 + 5x = 0$$
Wyciągamy \(x\) przed nawias (gdyż nie ma wyrazu wolnego \(c\)):
Analizujemy wynik: Liczba \(0\) jest liczbą całkowitą, a co za tym idzie – również liczbą wymierną (można ją zapisać w postaci ułamka \(\frac{0}{1}\)). Nie jest liczbą dodatnią, ujemną ani niewymierną.
Podsumowanie i wniosek: Prawidłową odpowiedzią jest C.
Zadanie 36 (Grupa A)
1 pkt
Rozwiązaniami równania \(3(x-3)(x+5)=0\) są liczby:
A. \(-3, 2 \text{ i } 5\)
B. \(-3 \text{ i } 5\)
C. \(3 \text{ i } -5\)
D. \(-3 \text{ i } -5\)
Pełne rozwiązanie krok po kroku:
Intuicja („Dlaczego tak?”): Równanie jest podane od razu w postaci iloczynowej. Stała \(3\) przed nawiasem nie wpływa na miejsca zerowe (dzielimy przez nią obustronnie), a zerowanie równania następuje wtedy, gdy któryś z nawiasów przyjmuje wartość \(0\).
Krok po kroku z komentarzem:
Dzielimy przez \(3\):
$$(x - 3)(x + 5) = 0$$
Przyrównujemy nawiasy do zera:
\(x - 3 = 0 \implies x = 3\)
\(x + 5 = 0 \implies x = -5\)
Podsumowanie i wniosek: Rozwiązaniami są liczby \(3\) oraz \(-5\), co odpowiada odpowiedzi C.