Как решать
показательные уравнения?
Решение уравнений – навык, который необходим каждому нацеленному на успешную сдачу ЕГЭ и ОГЭ школьнику. Это поможет решить задания №5, 13 и 15 из профильного уровня математики.
Одна из их разновидностей – степенные уравнения, которые иногда также называют показательными. Основная отличительная особенность – наличие переменной \(х\) не в основании степени, а в самом показателе. Как это выглядит:
Не бойтесь – это самый общий вид показательных уравнений. Реальные примеры выглядят как-то так:
Внимательно посмотрите на приведенные уравнения. В каждом из них присутствует, так называемая, показательная (степенная) функция. При решении необходимо помнить об основных свойствах степени, а также использовать особые правила, помогающие вычислить значение \(х\). Познакомиться с понятием степени и ее свойствами можно тут и тут.
И вам понадобится умение решать обыкновенные линейные и квадратные уравнения, те, что вы проходили в 7-8 классе. Вот такие:
И так, любое уравнение, в котором вы увидите показательную (степенную) функцию, называется показательным уравнением. Кроме самой показательной функции в уравнении могут быть любые другие математические конструкции – тригонометрические функции, логарифмы, корни, дроби и т.д. Если вы видите степень, значит перед вам показательное уравнение.
Ура! Теперь знаем, как выглядят показательные уравнения, но толку от этого не очень много. Было бы неплохо научиться их решать. Отличная новость – на наш взгляд показательные уравнения одни из самых простых типов уравнений, по сравнению с логарифмическими, тригонометрическими или иррациональными.
Простейшие показательные уравнения
Давайте начнем с самых простых типов уравнений и разберем сразу несколько примеров:
Что такое решить уравнение? Это значит, что нужно найти такое число, которое при подстановке в исходное уравнение вместо \(х\) даст верное равенство. В нашем примере нужно найти такое число, в которое нужно возвести двойку, чтобы получить восемь. Ну это просто:
Значит, если \(х=3\), то мы получим верное равенство, а значит мы решили уравнение.
Решим что-нибудь посложнее.
Такое уравнение выглядит сложнее. Попробуем преобразовать правую часть уравнения:
Мы применили свойство отрицательной степени по формуле:
Теперь наше уравнение будет выглядеть так:
Заметим, что слева и справа у нас стоят показательные функции, и там, и там основания одинаковые и равны \(3\), только вот степени разные – слева степень \((4х-1)\), а справа \((-2)\). Логично предположить, что если степени у такой конструкции будут равны, при условии, что основания одинаковые, то мы получим верное равенство. Так и поступим:
Такое мы решать умеем, ведь это обыкновенное линейное уравнение.
Поздравляю, мы нашли корень нашего показательного уравнения.
Попробуем поступить так, как в предыдущем примере – преобразуем левую и правую часть, чтобы слева и справа была показательная функция с одинаковым основанием. Как это сделать? Обращаем внимание, что \(125=5*5*5=5^3\), а \(25=5*5=5^2\), подставим:
Воспользуемся одним из свойств степеней \((a^n)^m=a^
И опять мы получили две показательные функции, у которых одинаковые основания и для того, чтобы равенство выполнялось, необходимо приравнять из степени:
И еще один пример:
Те, кто хорошо знает свойства степеней, знают, что показательная функция не может быть отрицательной. Действительно, попробуйте возводить \(2\) в различную степень, вы никогда не сможете получить отрицательное число.
Внимание! Показательная функция не может быть отрицательной, поэтому, когда вы встречаете примеры на подобии примера 4, то знайте, что такого быть не может. Здесь корней нет, потому что показательная функция всегда положительна.
Теперь давайте разработаем общий метод решения показательных уравнений. И научимся решать более сложные примеры.
Общий метод решения показательных уравнений
Пусть у нас есть вот такой пример:
Где \(a,b\) какие-то положительные числа. (\(a>0, \; b>0\).
Согласно разобранным выше примерам, логично предположить, что для того, чтобы решить данное уравнение, нужно его преобразовать к виду, где слева и справа стоят показательные функции с одинаковым основанием. Так и поступим.
Слева у нас уже стоит \(a^x\), с этим ничего делать не будем, а вот справа у нас стоит загадочное число \(b\), которое нужно попытаться представить в виде \(b=a^m\). Тогда уравнение принимает вид:
Раз основания одинаковые, то мы можем просто приравнять степени:
Вот и весь алгоритм решения. Просто нужно преобразовать исходное уравнение таким образом, чтобы слева и справа стояли показательные функции с одинаковыми основаниями, тогда приравниваем степени и вуаля – сложное показательное уравнение решено. Осталось только разобраться, как так преобразовывать. Опять разберем на примерах:
Замечаем, что \(16=2*2*2*2=2^4\) это степень двойки:
Основания одинаковые, значит можно приравнять степени:
$$x=4.$$
Пример 6 $$5^<-x>=125 \Rightarrow 5^<-x>=5*5*5 \Rightarrow 5^<-x>=5^3 \Rightarrow –x=3 \Rightarrow x=-3.$$
Пример 7 $$9^<4x>=81 \Rightarrow (3*3)^<4x>=3*3*3*3 \Rightarrow(3^2)^<4x>=3^4 \Rightarrow 3^<8x>=3^4 \Rightarrow 8x=4 \Rightarrow x=\frac<1><2>.$$
Здесь мы заметили, что \(9=3^2\) и \(81=3^4\) являются степенями \(3\).
Все здорово, но проблема в том, что такая схема решения показательных уравнений работает не всегда. Что делать, если привести к одинаковому основанию не получается. Например:
\(3\) и \(2\) привести к одинаковому основанию затруднительно. Но тем не менее мы должны это сделать. Воспользуемся следующей схемой преобразований: пусть есть некоторое положительное число \(b>0\), тогда его можно представить в виде степени любого, нужного вам, положительного числа не равного единице \(a>0, \; a \neq 1\):
Эта очень важная формула, рекомендуем ее выучить. Вернемся к нашему примеру и по формуле представим \(2\) в виде \(3\) в какой-то степени, где \(a=3\), а \(b=2\):
Подставим данное преобразование в наш пример:
Получили равенство двух показательных функций с одинаковым основанием, значит можем приравнять их степени:
Так в ответ и запишем. Никакой ошибки здесь нет, дело в том, что такие логарифмы можно посчитать только на калькуляторе, поэтому на ЕГЭ или в контрольной работе вы просто оставляете ответ в таком виде.
Кто забыл, что такое логарифм, можно посмотреть здесь.
Рассмотрим еще несколько аналогичных примеров.
Те, кто хорошо знает свойства логарифмов, могут поиграться с последней формулой и получить ответ в разном виде:
Все эти варианты ответа верные, их можно смело писать в ответ.
И так, мы с вами научились решать любые показательные уравнения вот такого вида: \(a^x=b\), где \(a>0; \; b>0\).
Но это еще далеко не все. Часто вы будете встречать показательные уравнения гораздо более сложного типа. В ЕГЭ по профильной математике это номер 15 из 2й части. Но бояться тут не нужно, все на первый взгляд сложные уравнения при помощи обычно не самых сложных преобразований сводятся к уравнениям типа \(a^x=b\), где \(a>0; \; b>0\). Рассмотрим типы сложных уравнений, которые могут попасться:
Решение показательных уравнений при помощи замены
Самое первое, что вы должны всегда делать, это пытаться привести все имеющиеся показательные функции к одинаковому основанию.
Здесь это сделать легко, замечаем, что \(9=3^2\), тогда \(9^x=(3^2)^x=3^<2x>=(3^x)^2\). Здесь мы воспользовались свойством степеней: \((a^n)^m=a^
Обратим внимание, что во всем уравнении все \(х\) «входят» в одинаковую функцию — \(3^x\). Сделаем замену \(t=3^x, \; t>0\), так как показательная функция всегда положительна.
Квадратное уравнение, которое решается через дискриминант:
Оба корня больше нуля, значит оба нам подходят. Сделаем обратную замену и уравнение сводится к решению двух простых показательных уравнений:
И второй корень:
И еще один пример на замену:
Воспользуемся нашим правилом, что все нужно приводить к одинаковому основанию – а стоп, тут и так у всех показательных функций основание \(3\). Давайте еще внимательно посмотрим на наш пример, очень похоже на то, что он тоже делается через замену. Но у нас тут нет одинаковых показательных функций, основания то одинаковые, а вот степени отличаются. Но если быть внимательным, то можно заметить, что в первой степени можно разбить свободный член \(3=2+1\) и вынести общий множитель \(2\):
Подставим в исходное уравнение:
Теперь показательные функции одинаковы и можно сделать замену:
Обратная замена, и наше уравнение сводится к простейшему:
И второе значение \(t\):
Тут у нас две показательные функции с основаниями \(7\) и \(3\), и как сделать из них одинаковые основания непонятно. Этот пример решается при помощи деления. Давайте поделим все наша уравнение на \(3^x\):
Здесь нам придется воспользоваться свойствами степеней:
Разберем каждое слагаемое:
Теперь подставим получившееся преобразования в исходное уравнение:
Теперь видно, что в нашем уравнении есть одинаковая функция, которую можно убрать в замену \(t=(\frac<7><3>)^x\):
Сделаем обратную замену:
И последний пример на замену:
Первым делом нужно сделать так, чтобы все показательные функции были с одинаковым основанием и в идеале с одинаковой степенью. Для этого нам понадобятся формулы для степеней:
Разберем каждое слагаемое нашего уравнения:
Все десятичные дроби всегда разумно представить в виде обыкновенных дробей. И будьте внимательны — отрицательная степень не имеет никакого отношения к знаку показательной функции!
И последнее слагаемое со степенью:
Подставим все наши преобразования в исходное уравнение:
Теперь можно сделать замену \(t=2^x\) или можно обойтись без замены, просто приведя подобные слагаемые (вынести общий множитель \(2^x\)):
Особенно стоит подчеркнуть прием, который мы использовали при решении 13-го примера. Всегда старайтесь избавляться от десятичных дробей. Переводите их в обыкновенные дроби.
И другой тип степенных уравнений, где обычно не нужно делать замену, а необходимо отлично знать все свойства степеней, некоторые из них мы уже обсудили выше. Все про свойства степеней можно посмотреть тут
Вот такое уравнение, в котором у нас, во-первых, показательных функции перемножаются, а еще хуже то, что у них у всех разные основания. Катастрофа, а не пример. Но ничего, все не так страшно, как кажется. Внимательно посмотрите на основания: у нас есть в основании \(2\), \(5\) и \(10\). Очевидно, что \(10=2*5\). Воспользуемся этим и подставим в наше уравнение:
Воспользуемся формулой \((a*b)^n=a^n*b^n\):
И перекинем все показательные функции с основанием \(2\) влево, а с основанием \(5\) вправо:
Сокращаем и воспользуемся формулами \(a^n*a^m=a^
Самая главная идея при решении показательных уравнений – это любыми доступными способами свести все имеющиеся степенные функции к одинаковому основанию. А еще лучше и к одинаковой степени. Вот почему необходимо знать все свойства степеней, без этого решить уравнения будет проблематично.
Как же понять, где какие преобразования использовать? Не бойтесь, это придет с опытом, чем больше примеров решите, тем увереннее будете себя чувствовать на контрольных в школе или на ЕГЭ по профильной математике. Сначала потренируйтесь на простых примерах и постепенно повышайте уровень сложности. Успехов в изучении математики!
Алгебра
План урока:
Простейшие показательные уравнения а х = b
Его называют показательным уравнением, ведь переменная находится в показателе степени. Для его решения представим правую часть как степень числа 2:
Тогда уравнение будет выглядеть так:
Теперь и справа, и слева стоят степени двойки. Очевидно, что число 3 будет являться его корнем:
Является ли этот корень единственным? Да, в этом можно убедиться, если построить в координатной плоскости одновременно графики у = 2 х и у = 8. Второй график представляет собой горизонтальную линию.
Пересекаются эти графики только в одной точке, а потому найденное нами решение х = 3 является единственным.
Так как любая показательная функция является монотонной, то есть либо только возрастает (при основании, большем единицы), либо только убывает (при основании, меньшем единицы), то в общем случае ур-ние а х = b может иметь не более одного решения. Это является следствием известного свойства монотонных функций – горизонтальная линия пересекает их не более чем в одной точке.
Сразу отметим, что если в ур-нии вида а х = b число b не является положительным, то корней у ур-ния не будет вовсе. Это следует из того факта, что область значений показательной функции – промежуток (0; + ∞), ведь при возведении в степень любого положительного числа результат всё равно остается положительным. Можно проиллюстрировать это и графически:
Решая простейшее показательное уравнение
мы специально представляли правую часть как степень двойки:
После этого мы делали вывод, что если в обеих частях ур-ния стоят степени с равными основаниями (2 = 2), то у них должны быть равны и показатели. Это утверждение верно и в более общем случае. Если есть ур-ние вида
то его единственным решением является х = с.
Задание. Найдите решение показательного уравнения
Решение. У обоих частей равны основания, значит, равны и показатели:
Задание. Найдите корень уравнения
Решение. Заметим, что число 625 = 5 4 . Тогда ур-ние можно представить так:
Отсюда получаем, что х = 4.
Видно, что основной метод решения показательных уравнений основан на его преобразовании, при котором и в правой, и в левой части стоят степени с совпадающими основаниями.
Задание. При каком х справедливо равенство
Решение. Преобразуем число справа:
Теперь ур-ние можно решить:
Задание. Решите ур-ние
Решение. Любое число при возведении в нулевую степень дает единицу, а потому можно записать, что 1 = 127 0 . Заменим с учетом этого правую часть равенства:
Уравнения вида а f( x) = a g ( x)
Рассмотрим чуть более сложное показательное ур-ние
Для его решения заменим показатели степеней другими величинами:
Теперь наше ур-ние принимает вид
Такие ур-ния мы решать умеем. Надо лишь приравнять показатели степеней:
При решении подобных ур-ний введение новых переменных опускают. Можно сразу приравнять показатели степеней, если равны их основания:
В общем случае использованное правило можно сформулировать так:
Задание. Найдите корень ур-ния
Решение. Представим правую часть как степень двойки:
Тогда ур-ние примет вид
Теперь мы имеем право приравнять показатели:
Задание. Укажите значение х, для которого выполняется условие
Решение. Здесь удобнее преобразовать не правую, а левую часть. Заметим, что
С учетом этого можно записать
Основания у выражений слева и справа совпадают, а потому можно приравнять показатели:
Задание. Укажите корень показательного уравнения
Решение. Для перехода к одному основанию представим число 64 как квадрат восьми:
Тогда ур-ние примет вид:
Задание. Найдите корень ур-ния
Решение. Здесь ситуация чуть более сложная, ведь число 2 невозможно представить как степень пятерки, а пятерки не получится выразить как степень двойки. Однако у обеих степеней в ур-нии совпадают показатели. Напомним, что справедливы следующие правила работы со степенями:
С учетом этого поделим обе части ур-ния на выражения 5 3+х :
Задание. При каких х справедлива запись
Можно сделать преобразования, после которых в ур-нии останется только показательная функция 5 х . Для этого произведем следующие замены:
Перепишем исходное ур-ние с учетом этих замен:
Теперь множитель 5 х можно вынести за скобки:
Рассмотрим чуть более сложное ур-ние, которое может встретиться на ЕГЭ в задании повышенной сложности №13.
Задание. Найдите решение уравнения
Решение. Преобразуем левое слагаемое:
Перепишем начальное ур-ние, используя это преобразование
Теперь мы можем спокойно вынести множитель за скобки:
Получили одинаковые основания слева и справа. Значит, можно приравнять и показатели:
Это квадратное уравнение, решение которого не должно вызывать у десятиклассника проблем:
Задачи, сводящиеся к показательным уравнениям
Рассмотрим одну прикладную задачу, встречающуюся в ЕГЭ по математике.
Задание. Из-за радиоактивного распада масса слитка из изотопа уменьшается, причем изменение его массы описывается зависимостью m(t) = m0 • 2 – t/ T , где m0 – исходная масса слитка, Т – период полураспада, t – время. В начальный момент времени изотоп, чей период полураспада составляет 10 минут, весит 40 миллиграмм. Сколько времени нужно подождать, чтобы масса слитка уменьшилась до 5 миллиграмм.
Решение. Подставим в заданную формулу значения из условия:
m0 = 40 миллиграмм;
m(t) = 5 миллиграмм.
В результате мы получим ур-ние
из которого надо найти значение t. Поделим обе части на 40:
Далее решим чуть более сложную задачу, в которой фигурирует сразу 2 радиоактивных вещества.
Задание. На особо точных рычажных весах в лаборатории лежат два слитка из радиоактивных элементов. Первый из них весит в начале эксперимента 80 миллиграмм и имеет период полураспада, равный 10 минутам. Второй слиток весит 40 миллиграмм, и его период полураспада составляет 15 минут. Изначально весы наклонены в сторону более тяжелого слитка. Через сколько минут после начала эксперимента весы выровняются? Масса слитков меняется по закону m(t) = m0 • 2 – t/ T , где m0 и Т – это начальная масса слитка и период его полураспада соответственно.
Решение. Весы выровняются тогда, когда массы слитков будут равны. Если подставить в данную в задаче формулу условия, то получится, что масса первого слитка меняется по закону
а масса второго слитка описывается зависимостью
Приравняем обе формулы, чтобы найти момент времени, когда массы слитков совпадут (m1 = m2):
Делим обе части на 40:
Основания равны, а потому приравниваем показатели:
Уравнения с заменой переменных
В ряде случаев для решения показательного уравнения следует ввести новую переменную. В учебных заданиях такая замена чаще всего (но не всегда) приводит к квадратному ур-нию.
Задание. Решите уравнение методом замены переменной
Заметим, что в уравнении стоят степени тройки и девятки, но 3 2 = 9. Тогда введем новую переменную t = 3 x . Если возвести ее в квадрат, то получим, что
C учетом этого изначальное ур-ние можно переписать:
Получили обычное квадратное ур-ние. Решим его:
Мы нашли два значения t. Далее необходимо вернуться к прежней переменной, то есть к х:
Первое ур-ние не имеет решений, ведь показательная функция может принимать лишь положительные значения. Поэтому остается рассмотреть только второе ур-ние:
Задание. Найдите корни ур-ния
Решение. Здесь в одном ур-нии стоит сразу три показательных функции. Попытаемся упростить ситуацию и избавиться от одной из них. Для этого поделим ур-ние на выражение 4 4х+1 :
Так как 1 4х+1 = 1, мы можем записать:
Обратим внимание, что делить ур-ние на выражение с переменной можно лишь в том случае, если мы уверены, что оно не обращается в ноль ни при каких значениях х. В данном случае мы действительно можем быть в этом уверены, ведь величина 4 4х+1 строго положительна при любом х.
Вернемся к ур-нию. В нем стоят величины (9/4) 4х+1 и (3/2) 4х+1 . У них одинаковые показатели, но разные степени. Однако можно заметить, что
9/4 = (3/2) 2 , поэтому и (9/4) 4х+1 = ((3/2) 4х+1 ) 2 . Это значит, что перед нами уравнение с заменой переменных.
Произведем замену t = (3/2) 4х+1 , тогда (9/4) 4х+1 = ((3/2) 4х+1 ) 2 = t 2 . Далее перепишем ур-ние с новой переменной t:
Снова получили квадратное ур-ние.
Возвращаемся к переменной х:
И снова первое ур-ние не имеет корней, так как при возведении положительного числа в степень не может получится отрицательное число. Остается решить второе ур-ние:
Графическое решение показательных уравнений
Не всякое показательное уравнение легко или вообще возможно решить аналитическим способом. В таких случаях выручает графическое решение уравнений.
Задание. Найдите графическим способом значение х, для которого справедливо равенство
Решение. Построим в одной системе координат графики у = 3 х и у = 4 – х:
Видно, что графики пересекаются в одной точке с примерными координатами (1; 3). Так как графический метод не вполне точный, следует подставить х = 1 в ур-ние и убедиться, что это действительно корень ур-ния:
Получили верное равенство, значит, х = 1 – это действительно корень ур-ния.
Задание. Решите графически ур-ние
Решение. Перенесем вправо все слагаемые, кроме 2 х :
Слева стоит показательная функция, а справа – квадратичная. Построим их графики и найдем точки пересечения:
Видно, что у графиков есть две общие точки – это (0;1) и (1; 2). На всякий случай проверим себя, подставив х = 0 и х = 1 в исходное ур-ние:
Ноль подходит. Проверяем единицу:
И единица тоже подошла. В итоге имеем два корня, 0 и 1.
Показательные неравенства
Рассмотрим координатную плоскость, в которой построен график некоторой показательной ф-ции у = а х , причем а > 0. Пусть на оси Ох отложены значения s и t, и t t и a s на оси Оу. Так как
является возрастающей функцией, то и величина a t окажется меньше, чем a s . Другими словами, точка a t на оси Оу будет лежать ниже точки а s (это наглядно видно на рисунке). Получается, что из условия t t s . Это значит, что эти два нер-ва являются равносильными.
С помощью этого правила можно решать некоторые простейшие показательные неравенства. Например, пусть дано нер-во
Представим восьмерку как степень двойки:
По только что сформулированному правилу можно заменить это нер-во на другое, которое ему равносильно:
Решением же этого линейного неравенства является промежуток (– ∞; 3).
Однако сформулированное нами правило работает тогда, когда основание показательной ф-ции больше единицы. А что же делать в том случае, если оно меньше единицы? Построим график такой ф-ции и снова отложим на оси Ох точки t и s, причем снова t будет меньше s, то есть эта точка будет лежать левее.
Так как показательная ф-ция у = а х при основании, меньшем единицы, является убывающей, то окажется, что на оси Оу точка a s лежит ниже, чем a t . То есть из условия t t > a s . Получается, что эти нер-ва равносильны.
Например, пусть надо решить показательное неравенство
Выразим число слева как степень 0,5:
Тогда нер-во примет вид
По рассмотренному нами правилу его можно заменить на равносильное нер-во
В более привычном виде, когда выражение с переменной стоит слева, нер-во будет выглядеть так:
а его решением будет промежуток (3; + ∞).
В общем случае мы видим, что если в показательном нер-ве вида
основание a больше единицы, то его можно заменить равносильным нер-вом
Грубо говоря, мы просто убираем основание степеней, а знак нер-ва остается неизменным. Если же основание а меньше единицы, то знак неравенства необходимо поменять на противоположный:
Это правило остается верным и в том случае, когда вместо чисел или переменных t и s используются произвольные функции f(x) и g(x). Сформулируем это правило:
Таким образом, для решения показательных неравенств их следует преобразовать к тому виду, при котором и справа, и слева стоят показательные ф-ции с одинаковыми показателями, после чего этот показатель можно просто отбросить. Однако надо помнить, что при таком отбрасывании знак нер-ва изменится на противоположный, если показатель меньше единицы.
Задание. Решите простейшее неравенство
Представим число 64 как степень двойки:
теперь и справа, и слева число 2 стоит в основании. Значит, его можно отбросить, причем знак нер-ва останется неизменным (ведь 2 > 1):
Задание. Найдите промежуток, на котором выполняется нер-во
Решение. Так как основание степеней, то есть число 0,345, меньше единицы, то при его «отбрасывании» знак нер-ва должен измениться на противоположный:
Это самое обычное квадратное неравенство. Для его решения нужно найти нули квадратичной функции, стоящей слева, после чего отметить их на числовой прямой и определить промежутки, на которых ф-ция будет положительна.
Нашли нули ф-ции. Далее отмечаем их на прямой, схематично показываем параболу и расставляем знаки промежутков:
Естественно, что в более сложных случаях могут использоваться всё те же методы решения нер-ва, которые применяются и в показательных ур-ниях. В частности, иногда приходится вводить новую переменную.
Задание. Найдите решение нер-ва
Решение. Для начала представим число 3 х+1 как произведение:
Теперь перепишем с учетом этого исходное нер-во:
Получили дробь, в которой есть одна показательная ф-ция 3 х . Заменим её новой переменной t = 3 x :
Это дробно-рациональное неравенство, которое можно заменить равносильным ему целым нер-вом:
которое, в свою очередь, решается методом интервалов. Для этого найдем нули выражения, стоящего слева
Отмечаем найденные нули на прямой и расставляем знаки:
Итак, мы видим, что переменная t должна принадлежать промежутку (1/3; 9), то есть
Теперь произведем обратную замену t = 3 x :
Так как основание 3 больше единицы, просто откидываем его:
Итак, мы узнали о показательных уравнениях и неравенствах и способах их решения. В большинстве случаев необходимо представить обе части равенства или неравенства в виде показательных степеней с одинаковыми основаниями. Данное действие иногда называют методом уравнивания показателей. Также в отдельных случаях может помочь графический способ решения ур-ний и замена переменной.
Системы уравнений высших степеней в математике с примерами решения и образцами выполнения
Системы двух уравнений первой и второй степени с двумя неизвестными:
Общий вид многочлена второй степени от двух переменных у и x, очевидно, следующий:
где а, b, с, d, е, f—данные числа. Общий вид системы уравнений с двумя неизвестными, состоящей из одного уравнения первой степени и одного уравнения второй степени, следующий:
Система такого вида легко решается способом подстановки. Именно, из второго уравнения можно выразить одно из неизвестных через другое и затем подставить в первое уравнение. В результате этого первое уравнение превратится в уравнение с одним неизвестным, вообще говоря, квадратное. Решив это уравнение, мы сможем определить затем и значения нового неизвестного.
При этом способе решения систем проверка полученных решений посредством подстановки в уравнение системы не обязательна и производится только для контроля правильности вычислений, ибо можно доказать, что при исключении одного неизвестного указанным способом лишних решений возникнуть не может.
Пример:
Решение:
Исключим из системы неизвестное у. С этой целью решим второе уравнение относительно у. Получим 
Затем подставим найденное выражение для у в первое уравнение. Получим
откуда после преобразований
и, следовательно, 
Соответствующие значения для у равны
Ответ. Система имеет два решения
Тот же прием исключения следует применять при решении систем трех уравнений с тремя неизвестными, если два уравнения имеют первую степень, третье квадратное. При этом из двух уравнений первой степени нужно выразить два неизвестных через третье неизвестное, и полученные выражения подставить в уравнение второй степени.
Таким же образом можно поступать при решении систем я уравнений с п неизвестными при любом я, если все уравнения, кроме одного квадратного, имеют первую степень.
Пример:
Решение:
Перепишем два последних уравнения системы в виде
Решая эту систему относительно х и у по обычным правилам, получим
Подставив эти выражения в первое уравнение, получим
Остается определить соответствующие значения для х и у, что делается подстановкой значений z₁, и z₂ в выражении х и у через z. Мы получим два решения системы:
Системы уравнений, решаемые особыми приемами
В гл. II, § 9 мы рассматривали системы уравнений вида
которые легко решаются при помощи формул Виета. Но, конечно, можно решать такие системы и способом исключения, описанным в предыдущем параграфе.
Часто встречающиеся системы уравнений вида
легко решаются методом исключения, но их можно решать и иначе. Именно, возведя в квадрат второе уравнение и вычитая из него первое, мы получим новое уравнение
которое является следствием данной системы. Объединив его с уравнением
мы получим систему, решаемую при помощи формул Виета.
Пример:
Решение:
Если х и у удовлетворяют уравнениям системы, то 
и следовательно, 2ху = — 8; ху = — 4. Таким образом, из данной системы следует система
для которой получаем два решения
Оба они удовлетворяют уравнениям исходной системы.
Еще проще решаются системы вида
Действительно, х² — y² = (x — у)(х + у), и потому если допустить, что х и у удовлетворяют обоим уравнениям системы, то (х—у) b = а, и следовательно, 
что вместе с уравнением х + у = b дает систему двух уравнений первой степени с двумя неизвестными, являющуюся следствием исходной системы, которую легко решить. Таким же образом решается и система вида
Пример:
Решение:
Если х и у удовлетворяют уравнениям системы, то
и следовательно, х + у =b. Решая систему
получим х = 4; v = 1.
Ответ. х = 4; v = 1.
Наконец отметим системы вида
Такие системы уравнений можно решить способом исключения, именно, в силу второго уравнения 
что при подстановке в первое уравнение дает уравнение относительно х, легко сводящееся к биквадратному.
Однако здесь следует рекомендовать другой прием. Именно, если к первому уравнению добавить, а затем вычесть удвоенное второе, то мы получим новую систему
являющуюся следствием исходной.
Но новая система легко решается, ибо из нее следует, что
и система распадается на 4 системы уравнений первой степени
Следует отметить, что сопоставление результатов решения рассмотренной системы по способу исключения и при помощи указанного искусственного приема приводит к тем же соотношениям, которые были получены из сопоставления двух способов решения биквадратного уравнения.
Системы двух уравнений второй степени, не содержащие линейных членов
Решение системы двух уравнений второй степени с двумя неизвестными общего вида
представляет значительные трудности. Именно, можно доказать, что решение такой системы зачастую сводится к решению уравнения четвертой степени, а нахождение решения общего уравнения четвертой степени представляет довольно сложную задачу, не входящую в рамки курса элементарной алгебры.
Для некоторых систем частного вида возможно элементарное решение. Важным примером таких систем являются системы двух квадратных уравнений, каждое из которых не содержит членов первой степени относительно неизвестных, т. е. системы вида
В этом случае система решается посредством уничтожения свободных членов. Это делается так. Первое уравнение умножается на f₁ второе на f и полученные уравнения вычитаются. Составленное так новое уравнение является следствием исходной системы и имеет вид Ах²+Вху+Су² =0, из которого следует, что
(если только у ≠ 0), откуда мы можем определить отношение
Найдя это отношение, мы можем выразить х через у и затем подставить в одно из уравнений исходной системы. Получившееся в результате неполное квадратное уравнение относительно у легко решается.
Нетрудно видеть, что если А ≠ 0 и хотя бы один из свободных членов в исходных уравнениях отличен от 0, то сделанное выше предположение у ≠ 0 не нарушает общности.
Действительно, если в уравнении Ах² + Вху + Су² == 0 при А ≠ 0 положим у = 0, то и х = 0. Но x = 0; y = 0 не может быть решением исходной системы, если хотя бы один из ее свободных членов отличен от нуля.
Если же коэффициент А = 0, то решение вспомогательного уравнения Вху + Су² = 0 только упрощается, для решения достаточно вынести за скобку у и приравнять к нулю каждый множитель.
Пример:
Решение:
Умножив первое уравнение на 7 и второе на 3, получим после вычитания
Таким образом, х = 22у или х = 2у. Дальнейшее очевидно. Доведя решение до конца, получим четыре решения системы
Решение систем уравнений высших степеней
Задача о решении системы уравнений высших степеней с несколькими неизвестными в общем случае является очень трудной, часто не допускающей решения средствами элементарной алгебры. Однако во многих случаях, комбинируя известные методы решения уравнений и систем уравнений — метод сложения и вычитания, исключения неизвестного с помощью подстановки, введения нового неизвестного— удается найти путь к решению системы. Но в каждой отдельной задаче приходится использовать ее частные особенности для того, чтобы найти удачный метод решения. Рассмотрим несколько примеров.
Пример:
Решить систему уравнений.
Решение:
Способ 1. Из второго уравнения находим, что у = 3 — х. Подставив в первое уравнение, получаем
и, после упрощений,
Соответствующие значения для у будут такими:
Система имеет два решения.
Способ 2. Представим х³ + y³ = 18 как
Принимая во внимание второе уравнение, получим 27 — 9xy = 18, откуда ху = 1. Система
есть следствие исходной, но и исходная есть следствие преобразованной, ибо если х + у = 3; ху = 1, то
Решая преобразованную систему при помощи формул Виета, получим те же два решения:
Пример:
Решение:
Исключение одной из неизвестных величин приводит к решению уравнения четвертой степени, в котором все коэффициенты отличны от нуля. Поэтому лучше избежать этого пути. Это легко сделать, введя новую неизвестную z = xy. Тогда
Таким образом, для z получаем уравнение
откуда z₁ = 47; z₂ = 3.
Итак, данная система расщепилась на две системы:
первая из которых не имеет действительных решений, а вторая имеет следующие решения:
Указанный прием удобно применять к системам двух уравнений с двумя неизвестными, в случае если каждое из уравнений симметрично относительно х и у, т. е. если уравнения не изменяются при перемене х и у местами.
Пример:
Решить систему уравнений:
Решение:
Перемножив уравнения системы, получим
откуда xyz = ±30. Но так как ху = 5, то отсюда следует, что =5z±30 и z = ±6. Теперь х и у легко определить из второго и третьего уравнений системы. Мы приходим к двум решениям:
Пример:
Решить систему уравнений
Решение:
Возвысив обе части первого уравнения в квадрат, получим
Вычитая из этого уравнения второе уравнение данной системы, получим 2x³y³ = 686, откуда (xy)³ = 343; ху = 7. Теперь из первого уравнения данной системы находим, что 
Итак, решение данной системы свелось к решению системы
Пример:
Решить систему уравнений
Решение:
В первом уравнении раскроем скобки в каждом множителе. Затем поделим обе части обоих уравнений на ху. Получим
Теперь введем новые неизвестные 
В новых неизвестных преобразованная система имеет такой вид:
Эта система легко решается. Получаем:
Далее находим значения для х и у из уравнений
Всего получим восемь решений:
Многообразие приемов, которые могут применяться при решении систем уравнений высших степеней, неисчерпаемо, и тем не менее найти путь к решению данной системы удается далеко не всегда. Важно проявлять изобретательность при решении системы в тех случаях, когда это возможно.
Графическое решение уравнений с одним неизвестным
Как уже было сказано, алгебраические методы решения систем уравнений далеко не всегда применимы. Но для целей практики бывает важно находить решения систем уравнений хотя бы приближенно. Эта цель хорошо достигается применением графических методов. Сначала рассмотрим применение графиков к приближенному решению одного уравнения с одним неизвестным.
Пусть дано уравнение х²- 4x+1 = 0. Для того чтобы графически решить такое уравнение, рассматриваем неизвестное х как независимое переменное, а левую часть уравнения как функцию этой переменной, т. е. введем в рассмотрение функцию y = x²-4x+1
Решить предложенное уравнение — значит узнать, при каких значениях независимой переменной х функция у обращается в нуль.
Точки графика, соответствующие таким значениям независимой переменной, лежат на оси абсцисс, ибо ордината каждой такой точки равна нулю. Следовательно, интересующие нас точки графика являются точками пересечения графика с осью абсцисс, а корни уравнения x²-4x+1=0 являются абсциссами этих точек пересечения. При этом абсцисса каждой точки пересечения графика с осью абсцисс является корнем уравнения x²-4x+1=0
Строим график функции y = x²-4x+1 Он имеет вид параболы с вершиной в точке (2,-3) (рис. 68). По чертежу находим, что 
В действительности
Совершенно такие же рассуждения можно применить к любому уравнению .у —0, где у есть алгебраическое выражение от неизвестной х. Именно, для графического решения такого уравнения нужно построить график выражения у, рассматриваемого как функция от переменной х, и найти точки пересечения этого графика с осью абсцисс. Абсциссы точек пересечения будут корнями уравнения. Конечно, при графическом решении уравнений корни получаются приближенно и довольно грубо, так как на чертеже произвести измерение абсцисс с высокой степенью точности невозможно.
Пример:
Решение:
Строим график функции у = x³ — 4x + 1, вычислив предварительно таблицу значений:
По результатам этих вычислений мы видим, что при изменении х от —3 до —2 функция переходит от отрицательных значений к положительным, на участке от 0 до 1 переходит от положительных значений к отрицательным и на участке от 1 до 2 снова от отри-
нательных значений к положительным. На этих участках и следует ожидать, что график пересечет ось абсцисс.
Проводим вычисления для некоторых промежуточных значений х, взятых на этих участках с целью уточнения хода функции:
Теперь построим график по всем вычисленным точкам, соединив их плавной линией (рис. 69).
Из этого чертежа мы получаем:
Для того чтобы уточнить значения корней, следует построить в бoльшем масштабе участки графика, примыкающие к корням, вычислив дополнительно значения функции на этих участках. Например, для уточнения корня х₃ проведем следующее вычисление:
Изобразим эти точки на чертеже, приняв большую единицу масштаба (рис. 70).
На таком малом участке изменения х мы вправе считать, что график очень близок к прямой линии. Исходя из этого предположения, получим
Графическое решение систем двух уравнений с двумя неизвестными
Пусть дана система уравнений с двумя неизвестными х и у. Каждое из этих уравнений, взятое отдельно, определяет зависимость между величинами х и у.
Построим на одном чертеже графики этих зависимостей. Числа (x₀y₀), образующие решение системы, должны удовлетворять обоим уравнениям системы, а следовательно, точка с координатами (х₀ у₀) должна лежать на графиках обеих зависимостей, т. е. должна являться точкой пересечения этих графиков.
Обратно, координаты (x₀у₀) любой точки пересечения построенных графиков удовлетворяют обоим уравнениям системы, т. е. образуют решение системы.
Таким образом, для того чтобы графически решить систему двух уравнений с двумя неизвестными, нужно построить график для каждого из уравнений и найти точки пересечения этих графиков. Координаты каждой точки пересечения образуют решение системы.
Пример:
Решить графически систему уравнений
Решение:
Алгебраическое решение этой системы затруднительно. Хотя неизвестное у и легко исключается посредством подстановки в первое уравнение его выражения через дг из второго уравнения, но в результате такого исключения получается уравнение четвертой степени относительно х, решение которого выходит за рамки элементарного курса алгебры.
Обратимся к построению графиков. Графиком зависимости х² + у² = 9 является, как мы видели (гл. III, § 3, третий пример), окружность с центром в начале координат и радиусом, равным 3. Графиком зависимости у= 2х² — 2х — 3 является парабола, которую легко построить по таблице значений (рис. 71). Графики пересекаются в четырех точках, координаты которых суть приближенно (—1,2; 2,7); (0; —3); (1,1; —2,8) и (2,2: 2,0).
Следовательно, данная система имеет четыре решения
Второе решение оказывается точным. Остальные три — приближенные.
Графическое решение системы двух уравнений с двумя неизвестными почти не сложнее графического решения одного уравнения с одним неизвестным, а иногда даже проще.
Поэтому часто бывает полезно преобразовать посредством введения нового неизвестного одно уравнение с одним неизвестным в систему двух уравнений с двумя неизвестными, а затем решать эту систему графически. При таком преобразовании следует заботиться о том, чтобы построение графиков обоих уравнений полученной системы было как можно проще.
Рассмотрим несколько примеров на применение этого приема.
Пример:
Решить графически уравнение
Решение:
Представим предложенное уравнение в виде x²=x+1. Мы видим, что в левой и правой частях уравнения находятся некоторые функции от х. Решить уравнение — значит найти, при каких значениях независимого параметра обе функции принимают равные значения. Графически это означает, что нужно найти абсциссы точек пересечения графиков функций у = х² и у =х 1.
Действительно, если при х = а а² = а + 1, то это значит, что точка (а, а²) совпадает с точкой (a, a+1) и, следовательно, принадлежит как графику функции у = х², так и графику функции у = х + 1.
Очевидно и обратное. Если графики функций у = х² и у = x + 1 пересекаются в точке (а, b), то b = a² = a + 1 и, следовательно, при х = а обе функции принимают равные значения. Все сказанное можно коротко изложить так.
Вводим новую неизвестную y = х². Тогда данное уравнение переходит в уравнение у — х—1= 0, которое вместе с введенной зависимостью дает систему
Графиком зависимости у = х² является .парабола, графиком зависимости у = х + 1— прямая линия (рис. 72). Решение задачи дают абсциссы точек пересечения. Они равны приближенно: 
Любое приведенное квадратное уравнение х² + рх + q = 0 может быть решено тем же образом, посредством преобразования в систему
Это удобно тем, что графиком первой зависимости является одна и та же парабола, а графиком второй зависимости является прямая линия, которую очень легко построить в каждом частном случае по двум точкам. Поэтому, тщательно построив в большом масштабе параболу у=х3, мы получаем возможность быстро решать любое приведенное квадратное уравнение.
Подобным образом для решения кубического уравнения, имеющего вид х³ + рх + q = 0, достаточно заготовить график функции у = х³. Абсциссы точек пересечения этого графика с прямой у + рх + q = 0 дают корни уравнения x³ + + q = 0.
Пример:
Превратив в систему, решить графически уравнение
Решение:
Это делают приемом, указанным выше. Однако это можно сделать и иначе. Именно, перепишем уравнение в виде х(х² — 4)+1=0
и положим х² — 4 = у. Уравнение заменится системой
Графиком первого уравнения системы является парабола, графиком второго — гипербола (рис. 73). Абсциссы точек пересечения суть 
Этим приемом можно решить любое кубическое уравнение
Графиком первого уравнения является парабола, графиком второго — гипербола.
Решение уравнения четвертой степени ах⁴ + bх² + сх + d = 0 при с ≠ 0 легко сводится к определению точки пересечения двух парабол.
Для этого вводим новое неизвестное у = х² У и уравнение заменяем системой
Графиком первого уравнения является парабола с вершиной в начале координат и осью, совпадающей с осью ординат. Графиком второго уравнения тоже является парабола, но только ее ось параллельна оси абсцисс. Действительно, решив второе уравнение относительно х, мы получим
т. с. х является квадратичной функцией от у, графиком которой является парабола с осью, параллельной оси абсцисс.
Из рассмотренных примеров ясно, что каждое данное уравнение с одним неизвестным можно преобразовать а систему двух уравнений с двумя неизвестными многими способами и при выборе какого-нибудь способа следует заботиться о наиболее выгодном расположении графиков на чертеже.
Уточнение корня уравнения или решения системы нелинейных уравнений, исходя из грубого приближения
При графическом решении корень уравнения или решение системы уравнение определяется лишь грубо приближенно. Уточнение результата за счет увеличения масштаба не очень эффективно, так как повышение точности требует пропорционального увеличения масштаба. Например, чтобы определить новую значащую цифру после занятой в десятичном разложении корня, т. е. увеличить точность в 10 раз, нужно и масштаб увеличить в 10 раз.
Однако существует весьма хорошо действующий алгебраический способ для подобного рода уточнения. Мы не будем излагать его в общем виде, а ограничимся только рассмотрением примеров его применения.
Пример:
Для уравнения x³ — 4x + 1= 0 известно приближенное значение одного из корней х ≈1,8. Требуется вычислить этот корень с большей точностью.
Решение:
Поступаем так. Положим x =1,8 + h, где h — новая неизвестная. Мы можем быть уверены, что h есть маленькое число, во всяком случае меньшее, чем 0,1. Подставив в уравнение вместо х его выражение через h, получим
Так как h² меньше h во столько же раз, во сколько h меньше единицы, для приближенного вычисления h отбросим в полученном уравнении члены с h² и h³. Получим
Для дальнейшего уточнения мы можем еще раз применить тот лее прием. Положим x≈1,86 + h₁,. Для h₁ получим, отбрасывая члены, содержащие h₁² и h₁³, приближенное уравнение
(При этом нет надобности вычислять коэффициенты при h₁² и h₁³ , ибо соответствующие члены мы все равно отбрасываем.) Отсюда h≈ 0,0008 и, следовательно,x ≈ 1,8608.
Продолжая этот прием, мы можем получить значение корня уравнения с любой степенью точности.
В общем виде идея метода такова. Если х₀ есть приближенное значение корня данного уравнения, мы полагаем в уравнении x= x₀ + h и в полученном уравнении относительно h отбрасываем члены, содержащие h выше, чем в первой степени, и решаем приближенно получившееся уравнение первой степени относительно h. Тогда число x₁ = x₀ + h оказывается, вообще говоря, значительно лучшим приближением к корню, чем исходное приближение х₀. В случае надобности процесс можно повторить.
Пример:
Для одного решения системы уравнений
известны приближенные значения х ≈ 2,2, у ≈ 2,0. Найти решение с большей точностью.
Решение:
Будем действовать тем же способом, как при уточнении корня одного уравнения с одним неизвестным. Именно, положим x = 2,2 + h; .у = 2,0 + к и, подставив в уравнение, отбросим все члены, содержащие h², k², hk, так как эти величины значительно меньше самих h и k. Получим
Решив эту систему, получим h ≈ — 0,03, k ≈ 0,07. Таким образом, уточненными значениями для х и у являются значения
Для дальнейшего уточнения можно повторить тот же процесс.
Решение заданий и задач по предметам:
Дополнительные лекции по высшей математике:
Образовательный сайт для студентов и школьников
Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.
© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института
http://100urokov.ru/predmety/urok-7-uravneniya-pokazatelnye
http://lfirmal.com/sistemy-uravneniy-vysshih-stepeney/