Równania wymierne – zadania maturalne

A

Krok 1. Zapisanie założeń do zadania.
Wbrew pozorom jest to dość ważny punkt, bo może się okazać, że otrzymany wynik będziemy musieli odrzucić ze względu na założenia. W matematyce nie istnieje dzielenie przez zero, dlatego wartość w mianowniku musi być różna od zera. Stąd też:
$$x+3\neq0 \\
x\neq-3$$

Krok 2. Rozwiązanie równania.
Samo równanie najprościej jest rozwiązać mnożąc poszczególne wyrazy na krzyż:
$$(x-5)\cdot3=(x+3)\cdot2 \\
3x-15=2x+6 \\
3x-2x=6+15 \\
x=21$$

D

Krok 1. Zapisanie założeń do naszego równania.
Mianownik musi być różny od zera, więc:
$$7x+1\neq0 \\
7x\neq-1 \\
x\neq-\frac{1}{7}$$

Krok 2. Rozwiązanie równania.
Najprościej będzie tu zastosować tzw. "mnożenie na krzyż".
$$(3x-1)\cdot5=2\cdot(7x+1) \\
15x-5=14x+2 \\
x=7$$

Krok 3. Sprawdzamy, czy otrzymane rozwiązanie jest zgodne z naszymi założeniami.
\(x=7\) jest zgodne z naszym założeniem, więc jest to poprawne rozwiązanie.

C

Krok 1. Wypisanie założeń do równania.
To dość ważny krok, bo może się zdarzyć sytuacja, w której niektóre rozwiązania będziemy musieli odrzucić ze względu na założenia. W tym przypadku konieczność wprowadzenia założeń wynika z tego, że wartość w mianowniku nie może być równa zero, bo w matematyce nie istnieje dzielenie przez zero. Zatem:
$$(x-4)(x+4)\neq0 \\
x-4\neq0 \quad\land\quad x+4\neq0 \\
x\neq4 \quad\land\quad x\neq-4$$

Krok 2. Rozwiązanie równania.
W tego typu równaniach wymiernych aby wartość ich była równa zero to licznik musi być równy zero, zatem:
$$x^2-4=0 \\
x=2 \quad\lor\quad x=-2$$

Otrzymane rozwiązania nie wykluczają się z założeniami, tak więc to równanie ma dokładnie dwa rozwiązania.

A

Krok 1. Zapisanie odpowiednich założeń do zadania.
Wartość w mianowniku nie może być równa zero, bo dzielenie przez zero w matematyce nie występuje. Stąd też pierwszym krokiem jaki należy uczynić jest zapisanie założenia, że \(x-6\neq0\), czyli \(x\neq6\).
Zapisanie założeń jest ważne, bo czasem zachodzi konieczność odrzucenia jakiegoś rozwiązania ze względu na to założenie.

Krok 2. Sprawdzenie dla jakich liczb wartość licznika jest równa \(0\).
Aby wynik działania był równy \(0\) to wartość licznika musi być równa \(0\) (i jest to jedyna możliwość, bo wartość mianownika na pewno musi być różna od zera). Stąd też:
$$x^2+36=0 \\
x^2=-36$$

Niestety nie istnieje jakakolwiek liczba, która byłaby rozwiązaniem tego równania, bo nie ma takiej liczby rzeczywistej, która podniesiona do kwadratu da nam ujemny wynik. To oznacza, że równanie nie ma rozwiązań.

B

Tego typu równanie wymierne może być równe \(0\) tylko i wyłącznie wtedy, kiedy licznik jest równy \(0\). Jednak równie ważną informacją jest to, że sam mianownik nie może być równy zero, bo w matematyce dzielenie przez \(0\) nie istnieje.

Krok 1. Wypisanie założeń.
W związku z tym, że mianownik musi być równy od zera, to:
$$x-3\neq0 \quad\land\quad x+2\neq0 \\
x\neq3 \quad\land\quad x\neq-2$$

Krok 2. Rozwiązanie równania.
Zgodnie z tym co zapisaliśmy sobie na początku, licznik musi być różny od zera, czyli:
$$(x+3)(x-2)=0 \\
x+3=0 \quad\lor\quad x-2=0 \\
x=-3 \quad\lor\quad x=2$$

Otrzymane rozwiązania nie wykluczają się z założeniami zapisanymi w pierwszym kroku, tak więc równanie ma dokładnie dwa rozwiązania.

D

Krok 1. Opuszczenie wartości bezwzględnej z licznika.
W liczniku pojawiła nam się wartość bezwzględna \(|x+3|\). Aby ją usunąć musimy się dowiedzieć, czy jej wartość będzie dodatnia, czy też ujemna. Wiemy, że nasz \(x\) jest większy od \(-3\) i mniejszy od \(0\). Jakiejkolwiek liczby z tego przedziału byśmy nie podstawili do \(|x+3|\) to wyjdzie nam wewnątrz wartość dodatnia. Przykładowo gdy \(x=-1\), to \(|-1+3|=|2|\).

Co nam ta wiedza daje? Skoro wiemy, że w nawiasach wartości bezwzględnej jest zawsze liczba dodatnia, to możemy opuścić tę wartość bez zmiany znaków. Tak więc wyrażenie z treści zadania możemy już zapisać jako \(\frac{x+3-x+3}{x}\).

Krok 2. Uproszczenie powstałego wyrażenia.
Tak naprawdę cała trudność w tym zadaniu była zawarta w pierwszym kroku. Teraz już tylko wystarczy poprawnie uprościć powstałe wyrażenie:
$$\frac{x+3-x+3}{x}=\frac{6}{x}$$

B

Krok 1. Zapisanie założeń do równania.
Z racji tego iż w matematyce nie istnieje dzielenie przez zero, to wartość w mianowniku nie może być równa zero. Stąd też:
$$7-x\neq0 \\
x\neq7$$

Krok 2. Rozwiązanie równania.
Najprościej będzie chyba tutaj zastosować tzw. "mnożenie na krzyż":
$$(x-5)\cdot3=1\cdot(7-x) \\
3x-15=7-x \\
4x=22 \\
x=\frac{22}{4}=\frac{11}{2}$$

Otrzymane rozwiązanie nie wyklucza się z założeniami, więc \(x=\frac{11}{2}\).

B

Najprościej jest rozwiązać to zadanie wykonując tzw. mnożenie na krzyż, zwłaszcza że będziemy mogli zastosować tutaj wzory skróconego mnożenia.
$$5\cdot m=(5-\sqrt{5})\cdot(5+\sqrt{5}) \\
5m=5^2-(\sqrt{5})^2 \\
5m=25-5 \\
5m=20 \\
m=4$$

B

Krok 1. Zapisanie założeń do zadania.
Z racji tego iż w mianowniku nie może znaleźć się liczba zero, to musimy napisać założenia do naszego równania:
$$3-x\neq0 \\
x\neq3$$

Gdyby wśród obliczonych rozwiązań tego równania pojawiła się liczba \(3\), to zgodnie z założeniami musielibyśmy ją odrzucić.

Krok 2. Rozwiązanie równania.
To równanie najprościej będzie rozwiązać metodą mnożenia na krzyż, dzięki czemu otrzymamy:
$$(2x-4)\cdot3=(3-x)\cdot4 \\
6x-12=12-4x \\
10x-12=12 \\
10x=24 \\
x=\frac{24}{10}=\frac{12}{5}$$

A

Aby sprawdzić ile rozwiązań ma dane równanie spróbujmy je rozwiązać tradycyjnymi metodami:
$$\frac{3x-1}{x+5}=3 \quad\bigg/\cdot(x+5) \\
3x-1=3\cdot(x+5) \\
3x-1=3x+15 \\
-1=15$$

Otrzymaliśmy sprzeczność, a to oznacza, że to równanie nie ma rozwiązań rzeczywistych.

D

Na początku rozwiązywania tej nierówności najlepiej będzie pozbyć się ułamków, mnożąc obie strony przez \(6\). Całość obliczeń wyglądać będzie następująco:
$$\frac{2-x}{3}-\frac{2x-1}{2}\lt x \quad\bigg/\cdot6 \\
6\cdot\frac{2-x}{3}-6\cdot\frac{2x-1}{2}\lt6x \\
2\cdot(2-x)-3\cdot(2x-1)\lt6x \\
4-2x-(6x-3)\lt6x \\
4-2x-6x+3\lt6x \\
-8x+7\lt6x \\
7\lt14x \\
\frac{1}{2}\lt x \\
x\gt\frac{1}{2}$$

Przedział opisujący to rozwiązanie znalazł się w ostatniej odpowiedzi.

A

Aby dodać do siebie dwa ułamki musimy sprowadzić je do wspólnego mianownika. W tym celu licznik i mianownik pierwszego ułamka wymnożymy przez \((x+3)\), a licznik i mianownik drugiego ułamka przez \((x-2)\). Warto sobie to wszystko pogrupować w nawiasy, by uniknać błędów rachunkowych:
$$\frac{3x+1}{x-2}-\frac{2x-1}{x+3}= \\
=\frac{(3x+1)\cdot(x+3)}{(x-2)\cdot(x+3)}-\frac{(2x-1)\cdot(x-2)}{(x+3)\cdot(x-2)}= \\
=\frac{(3x+1)\cdot(x+3)-(2x-1)\cdot(x-2)}{(x-2)\cdot(x+3)}= \\
=\frac{3x^2+9x+x+3-(2x^2-x-4x+2)}{(x-2)\cdot(x+3)}= \\
=\frac{3x^2+10x+3-(2x^2-5x+2)}{(x-2)\cdot(x+3)}= \\
=\frac{3x^2+10x+3-2x^2+5x-2}{(x-2)\cdot(x+3)}= \\
=\frac{3x^2-2x^2+10x+5x+3-2}{(x-2)\cdot(x+3)}= \\
=\frac{x^2+15x+1}{(x-2)\cdot(x+3)}$$

Wykazano na podstawie rozwiązania tej nierówności.

Krok 1. Doprowadzenie nierówności wymiernej do postaci ogólnej.
Analizujemy sytuację, w której \(a\gt0\). To bardzo ważna informacja, bo dzięki niej mamy pewność, że chcąc pomnożyć obie strony przez \(a+1\) nie zmieni nam się znak nierówności, bo \(a+1\) jest na pewno dodatnie. Przypomnę, że gdybyśmy pomnożyli nierówność przez wartość ujemną, to zmieniłby nam się jej znak. Tutaj takich obaw nie ma, dlatego możemy wymnożyć obie strony równania przez \(a+1\) oraz przez \(2\). Możemy to zrobić za jednym razem, albo też krok po kroku, aby uniknąć niepotrzebnych pomyłek.
$$\frac{a^2+1}{a+1}\ge\frac{a+1}{2} \quad\bigg/\cdot(a+1) \\
a^2+1\ge\frac{(a+1)\cdot(a+1)}{2} \quad\bigg/\cdot2 \\
2a^2+2\ge(a+1)^2 \\
2a^2+2\ge a^2+2a+1 \\
a^2-2a+1\ge0$$

Teraz zadanie możemy rozwiązać na dwa sposoby:
Sposób I:
Krok 2a. Przekształcenie nierówności przy użyciu wzorów skróconego mnożenia.
Korzystając ze wzorów skróconego mnożenia możemy zapisać, że \(a^2-2a+1=(a-1)^2\), a więc otrzymamy:
$$(a-1)^2\ge0$$

Krok 3a. Interpretacja wyniku.
Każda liczba (czy to dodatnia, czy to ujemna) podniesiona do potęgi drugiej da nam wartość większą lub równą zero, więc udowodniliśmy że twierdzenie wskazane w zadaniu jest prawdziwe.

Sposób II:
Krok 2b. Wyznaczenie miejsc zerowych nierówności \(a^2-2a+1\ge0\).
Współczynniki: \(a=1,\;b=-2,\;c=1\)
$$Δ=b^2-4ac=(-2)^2-4\cdot1\cdot1=4-4=0 \\
\sqrt{Δ}=\sqrt{0}=0$$

$$a=\frac{-b}{2a}=\frac{-(-2)}{2\cdot1}=\frac{2}{2}=1$$

Krok 3b. Szkicowanie wykresu paraboli.
Parabola ma ramiona skierowane ku górze, bo współczynnik kierunkowy \(a\) stojący przed wartością \(x^2\) jest dodatni. Wykres będzie więc wyglądał następująco:



Krok 4b. Odczytanie rozwiązania z wykresu i interpretacja wyniku.
Szukamy przedziałów, w których wykres naszej funkcji jest dodatni lub równy zero, czyli kiedy wykres jest nad osią lub na niej. Okazuje się, że każda liczba spełnia warunki naszego zadania, a to oznacza, że udowodniliśmy, że także liczby dodatnie \(a\gt0\) spełniają warunki tej nierówności.

Przyznaj sobie:
0 pkt
• Gdy brakuje jakiegokolwiek postępu prowadzącego do rozwiązania zadania.
ALBO
• Gdy pod niewiadomą \(a\) podstawisz jakąś konkretną wartość liczbową.
1 pkt
• Gdy przekształcisz to wyrażenie do postaci ogólnej np. \(a^2-2a+1\ge0\) i na tym poprzestaniesz rozwiązywanie zadania lub w dalszej części popełnisz błędy (patrz: Krok 1.).
ALBO
• Gdy dokonasz innej (poprawnej) formy przekształcenia nierówności, ale nie zapiszesz żadnych wniosków wynikających z rozwiązania, albo zapisane wnioski będą nieprawdziwe.
2 pkt
• Gdy przeprowadzisz pełne dowodzenie.

D

Krok 1. Zapisanie założeń do zadania.
Musimy zapisać założenia wynikające z tego, że mianownik nie może być równy \(0\) (bo nie można dzielić przez \(0\)). Zatem \(x\neq-1\). To wbrew pozorom ważny krok, bo choć akurat w przypadku tego zadania nie wpłynie on na wynik, to czasem może on wpłynąć na ostateczny wynik.

Krok 2. Rozwiązanie równania.
$$\frac{x-1}{x+1}=x-1 \quad\bigg/\cdot(x+1) \\
x-1=(x-1)\cdot(x+1) \\
x-1=x^2-1^2 \\
x-1=x^2-1 \\
x^2-x=0 \\
x(x-1)=0 \\
x=0 \quad\lor\quad x=1$$

To oznacza, że równanie ma dokładnie dwa rozwiązania: \(x=0\) oraz \(x=1\).

\(x=\frac{4}{3}\) oraz \(x=4\)

Krok 1. Wymnożenie na krzyż poszczególnych wartości.
Rozwiązywanie równania najprościej jest chyba zacząć od mnożenia na krzyż, choć jeśli wolimy to możemy standardowo wymnożyć obie strony najpierw przez \(x\), a potem przez \(2x-4\). Finalnie dojdziemy do tego samego:
$$(2x-4)\cdot(2x-4)=x\cdot x \\
(2x-4)^2=x^2 \\
4x^2-16x+16=x^2 \\
3x^2-16x+16=0$$

Krok 2. Rozwiązanie powstałego równania kwadratowego.
Współczynniki: \(a=3,\;b=-16,\;c=16\)
$$Δ=b^2-4ac=(-16)^2-4\cdot3\cdot16=256-192=64 \\
\sqrt{Δ}=\sqrt{64}=8$$

$$x_{1}=\frac{-b-\sqrt{Δ}}{2a}=\frac{-(-16)-8}{2\cdot3}=\frac{16-8}{6}=\frac{8}{6}=\frac{4}{3} \\
x_{2}=\frac{-b+\sqrt{Δ}}{2a}=\frac{-(-16)+8}{2\cdot3}=\frac{16+8}{6}=\frac{24}{6}=4$$

Z racji tego, iż żadne z rozwiązań nie wyklucza się z założeniami z treści zadania, to obydwa są poprawne. To równanie ma więc dwa rozwiązania: \(x=\frac{4}{3}\) oraz \(x=4\).

Przyznaj sobie:
0 pkt
• Gdy brakuje jakiegokolwiek postępu prowadzącego do rozwiązania zadania.
1 pkt
• Gdy doprowadzisz to równanie do postaci równania kwadratowego (patrz: Krok 1.).
2 pkt
• Gdy otrzymasz oczekiwany wynik.

\(x=-\frac{1}{2} \quad\lor\quad x=1\)

Krok 1. Wymnożenie wyrazów "na krzyż".
Rozwiązywanie tego typu równań najprościej jest rozpocząć od wymnażania na krzyż, zatem:
$$\frac{2x+1}{2x}=\frac{2x+1}{x+1} \\
(2x+1)\cdot(x+1)=(2x)\cdot(2x+1)$$

Krok 2. Rozwiązanie powstałego równania.
Teraz możemy rozwiązać to równanie na dwa sposoby:
I sposób: Przenosząc wyrazy z prawej strony na lewą i jednocześnie dostrzegając, że całość da się zapisać w postaci iloczynowej.
Otrzymamy wtedy:
$$(2x+1)\cdot(x+1)-(2x)\cdot(2x+1)=0 \\
(2x+1)(x+1-2x)=0 \\
(2x+1)(-x+1)=0 \\
2x+1=0 \quad\lor\quad -x+1=0 \\
x=-\frac{1}{2} \quad\lor\quad x=1$$

II sposób: Wymnażając przez siebie poszczególne wyrazy i rozwiązując powstałe równanie kwadratowe.
$$2x^2+2x+x+1=4x^2+2x \\
-2x^2+x+1=0$$

Współczynniki: \(a=-2,\;b=1,\;c=1\)
$$Δ=b^2-4ac=1^2-4\cdot(-2)\cdot1=1-(-8)=1+8=9 \\
\sqrt{Δ}=\sqrt{9}=3$$

$$x_{1}=\frac{-b-\sqrt{Δ}}{2a}=\frac{-1-3}{2\cdot(-2)}=\frac{-4}{-4}=1 \\
x_{2}=\frac{-b+\sqrt{Δ}}{2a}=\frac{-1+3}{2\cdot(-2)}=\frac{2}{-4}=-\frac{1}{2}$$

Krok 3. Sprawdzenie, czy rozwiązania nie wykluczają się z założeniami.
Na koniec jeszcze sprawdzamy, czy nasze rozwiązania nie wykluczają się z założeniami z treści zadania. To wbrew pozorom ważny punkt, bo czasem może być tak, że dane rozwiązanie trzeba będzie odrzucić. W naszym przypadku niczego odrzucać nie musimy, tak więc ostatecznie równanie ma dwa rozwiązania:
$$x=-\frac{1}{2} \quad\lor\quad x=1$$

Przyznaj sobie:
0 pkt
• Gdy brakuje jakiegokolwiek postępu prowadzącego do rozwiązania zadania.
1 pkt
• Gdy zapiszesz to równanie w postaci iloczynowej typu \((2x+1)(-x+1)=0\) (patrz: I sposób, Krok 2.).
ALBO
• Gdy zapiszesz to równanie w postaci \(-2x^2+x+1=0\) (patrz: II sposób, Krok 2.).
ALBO
• Gdy rozwiązując to zadanie podzielisz obie strony równania przez \(2x+1\) i nie zapiszesz warunku, że \(2x+1\neq0\).
2 pkt
• Gdy otrzymasz oczekiwany wynik.

\(x=\frac{1}{2}\) oraz \(x=2\)

Krok 1. Rozwiązanie równania.
Rozwiązanie tego równania najlepiej jest rozpocząć od wymnożenia obydwu stron przez \((x-1)\). Możemy to zrobić, bo wiemy że \(x\neq1\), zatem:
$$\frac{x(x+1)}{x-1}=5x-4 \quad\bigg/\cdot(x-1) \\
x(x+1)=(5x-4)\cdot(x-1) \\
x^2+x=5x^2-5x-4x+4 \\
4x^2-10x+4=0 \quad\bigg/:2 \\
2x^2-5x+2=0$$

W ostatnim kroku zostało wykonane dzielenie przez \(2\), tak aby uprościć zapis i by wykonywać działania na mniejszych liczbach. Nie jest to działanie niezbędne do otrzymania prawidłowego wyniku.

Krok 2. Rozwiązanie powstałego równania kwadratowego.
Współczynniki: \(a=2,\;b=-5,\;c=2\)
$$Δ=b^2-4ac=(-5)^2-4\cdot2\cdot2=25-16=9 \\
\sqrt{Δ}=\sqrt{9}=3$$

$$x_{1}=\frac{-b-\sqrt{Δ}}{2a}=\frac{-(-5)-3}{2\cdot2}=\frac{5-3}{4}=\frac{2}{4}=\frac{1}{2} \\
x_{2}=\frac{-b+\sqrt{Δ}}{2a}=\frac{-(-5)+3}{2\cdot2}=\frac{5+3}{4}=\frac{8}{4}=2$$

Żadne z rozwiązań nie wyklucza się z założeniami, zatem to równanie ma dwa rozwiązania: \(x=\frac{1}{2}\) oraz \(x=2\).

Przyznaj sobie:
0 pkt
• Gdy brakuje jakiegokolwiek postępu prowadzącego do rozwiązania zadania.
1 pkt
• Gdy przekształcisz to równanie do postaci równania kwadratowego \(2x^2-5x+2=0\).
2 pkt
• Gdy otrzymasz oczekiwany wynik.