Wielomiany
Sprawdzian
Grupa A
Zadanie 1 (3 pkt)
Dany jest wielomian \(W(x) = (x^5 - x^2 - 1)^{1000}\). Określ stopień wielomianu i wyznacz sumę współczynników wielomianu przy parzystych potęgach \(x\).
Stopień wielomianu: \(5000\)
Suma współczynników przy parzystych potęgach \(x\): \(\dfrac{3^{1000} + 1}{2}\)
Suma współczynników przy parzystych potęgach \(x\): \(\dfrac{3^{1000} + 1}{2}\)
Wskazówki:
- Stopień potęgi wielomianu wyznaczamy, mnożąc najwyższy stopień wielomianu bazowego przez wykładnik potęgi zewnętrznej.
- Wartość wielomianu dla \(x = 1\) daje sumę wszystkich jego współczynników, natomiast dla \(x = -1\) daje sumę współczynników z naprzemiennymi znakami (znaki minus pojawiają się przy potęgach nieparzystych).
- Dodając stronami wartości \(W(1)\) oraz \(W(-1)\), wyrazy przy nieparzystych potęgach ulegają redukcji. Pamiętaj, że wyraz wolny to współczynnik przy \(x^0\), a liczba zero jest parzysta.
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Wyznaczenie stopnia wielomianu:
Wielomian wewnątrz nawiasu to \(P(x) = x^5 - x^2 - 1\). Najwyższą potęgą zmiennej \(x\) jest w nim \(5\), zatem stopień tego wielomianu wynosi \(5\).
Po podniesieniu całego wyrażenia do potęgi \(1000\), najwyższa potęga zmiennej powstanie z podniesienia wyrazu o najwyższym stopniu: $$(x^5)^{1000} = x^{5 \cdot 1000} = x^{5000}$$ Współczynnik stojący przy tej potędze jest równy \(1 \neq 0\), zatem stopień całego wielomianu wynosi: $$\deg(W) = 5000$$ -
Zapis ogólnej postaci wielomianu oraz interpretacja wartości dla \(x = 1\) i \(x = -1\):
Niech wielomian \(W(x)\) po uporządkowaniu ma postać: $$W(x) = a_{5000}x^{5000} + a_{4999}x^{4999} + a_{4998}x^{4998} + \dots + a_1 x + a_0$$ gdzie \(a_{5000}, a_{4999}, \dots, a_0\) są współczynnikami rzeczywistymi, a \(a_0 = a_0 x^0\) jest wyrazem wolnym (odpowiadającym parzystej potędze \(0\)).
Obliczamy wartość wielomianu dla argumentu \(x = 1\): $$\begin{aligned} W(1) &= a_{5000}\cdot 1^{5000} + a_{4999}\cdot 1^{4999} + \dots + a_1\cdot 1 + a_0 \\[8pt] &= a_{5000} + a_{4999} + a_{4998} + \dots + a_1 + a_0 \end{aligned}$$ Widzimy, że \(W(1)\) jest sumą wszystkich współczynników wielomianu.
Obliczamy wartość wielomianu dla argumentu \(x = -1\): $$\begin{aligned} W(-1) &= a_{5000}\cdot (-1)^{5000} + a_{4999}\cdot (-1)^{4999} + \dots + a_1\cdot (-1) + a_0 \\[8pt] &= a_{5000} - a_{4999} + a_{4998} - \dots - a_1 + a_0 \end{aligned}$$ Dla potęg parzystych mamy \((-1)^{2k} = 1\), a dla potęg nieparzystych \((-1)^{2k+1} = -1\). -
Wyprowadzenie wzoru na sumę współczynników przy parzystych potęgach:
Dodajemy stronami wyznaczone równości dla \(W(1)\) oraz \(W(-1)\): $$\begin{aligned} W(1) + W(-1) &= (a_{5000} + a_{4999} + \dots + a_0) + (a_{5000} - a_{4999} + \dots + a_0) \\[8pt] &= 2a_{5000} + 2a_{4998} + 2a_{4996} + \dots + 2a_2 + 2a_0 \\[8pt] &= 2(a_{5000} + a_{4998} + 2a_{4996} + \dots + a_2 + a_0) \end{aligned}$$ Wszystkie wyrazy o indeksach nieparzystych uległy redukcji. Oznaczając sumę współczynników przy parzystych potęgach jako \(S_{parz}\): $$S_{parz} = a_{5000} + a_{4998} + \dots + a_2 + a_0$$ Otrzymujemy zależność: $$S_{parz} = \dfrac{W(1) + W(-1)}{2}$$ -
Obliczenie wartości \(W(1)\) oraz \(W(-1)\) ze wzoru wyjściowego:
Podstawiamy wartości \(x = 1\) oraz \(x = -1\) do wzoru \(W(x) = (x^5 - x^2 - 1)^{1000}\):
Dla \(x = 1\): $$\begin{aligned} W(1) &= \left(1^5 - 1^2 - 1\right)^{1000} \\[8pt] &= (1 - 1 - 1)^{1000} \\[8pt] &= (-1)^{1000} = 1 \end{aligned}$$ Dla \(x = -1\): $$\begin{aligned} W(-1) &= \left((-1)^5 - (-1)^2 - 1\right)^{1000} \\[8pt] &= (-1 - 1 - 1)^{1000} \\[8pt] &= (-3)^{1000} = 3^{1000} \end{aligned}$$ Ponieważ potęga \(1000\) jest parzysta, zachodzi równość \((-3)^{1000} = 3^{1000}\). -
Wyznaczenie ostatecznej wartości sumy współczynników:
Wstawiamy uzyskane liczby do wzoru na \(S_{parz}\): $$S_{parz} = \dfrac{1 + 3^{1000}}{2} = \dfrac{3^{1000} + 1}{2}$$
Odpowiedź:
Stopień wielomianu wynosi \(5000\), a suma współczynników przy parzystych potęgach \(x\) jest równa \(\dfrac{3^{1000} + 1}{2}\).
Stopień wielomianu wynosi \(5000\), a suma współczynników przy parzystych potęgach \(x\) jest równa \(\dfrac{3^{1000} + 1}{2}\).
Wideolekcja:
Nagranie wideo do tego zadania pojawi się wkrótce.
Obejrzyj pełne omówienie zadania krok po kroku:
Zadanie 2 (4 pkt)
Wyznacz współczynniki \(a\) i \(b\) wielomianu \(W(x) = x^4 + 6x^3 + 13x^2 + ax + b\) tak, aby \(W(x)\) był kwadratem trójmianu kwadratowego.
\(a = 12\), \(b = 4\)
Wskazówki:
- Trójmian kwadratowy to wielomian drugiego stopnia o postaci ogólnej \(P(x) = c x^2 + px + q\). Ponieważ współczynnik przy najwyższej potędze \(x^4\) w wielomianie \(W(x)\) jest równy \(1\), współczynnik wiodący trójmianu musi spełniać zależność \(c^2 = 1\), czyli \(c = 1\) lub \(c = -1\). Zauważ, że \((-P(x))^2 = (P(x))^2\), zatem bez utraty ogólności wystarczy przyjąć trójmian z dodatnim współczynnikiem wiodącym: \(P(x) = x^2 + px + q\).
- Podnieś trójmian \(x^2 + px + q\) do kwadratu i uporządkuj wyrazy według potęg zmiennej \(x\), a następnie porównaj odpowiednie współczynniki z wielomianem \(W(x)\). Alternatywnie możesz wykorzystać metodę dopełniania do kwadratu sumy.
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Zapisanie postaci ogólnej trójmianu i podniesienie go do kwadratu:
Niech szukany trójmian kwadratowy ma postać \(P(x) = x^2 + px + q\), gdzie \(p, q \in \mathbb{R}\). Podnosimy go do kwadratu, korzystając ze wzoru na kwadrat sumy trzech składników \((u + v + w)^2 = u^2 + v^2 + w^2 + 2uv + 2uw + 2vw\): $$ \begin{aligned} (P(x))^2 &= (x^2 + px + q)^2 \\[8pt] &= (x^2)^2 + (px)^2 + q^2 + 2 \cdot x^2 \cdot px + 2 \cdot x^2 \cdot q + 2 \cdot px \cdot q \\[8pt] &= x^4 + p^2 x^2 + q^2 + 2px^3 + 2qx^2 + 2pqx \\[8pt] &= x^4 + 2px^3 + (p^2 + 2q)x^2 + 2pqx + q^2 \end{aligned} $$ -
Sposób I – Przyrównanie współczynników odpowiednich potęg:
Dwa wielomiany są równe wtedy i tylko wtedy, gdy ich współczynniki przy odpowiednich potęgach zmiennej \(x\) są identyczne. Z warunku \((P(x))^2 = W(x)\) porównujemy współczynniki wielomianu \(x^4 + 2px^3 + (p^2 + 2q)x^2 + 2pqx + q^2\) ze współczynnikami wielomianu \(W(x) = x^4 + 6x^3 + 13x^2 + ax + b\): $$ \begin{aligned} x^3 &\colon \quad 2p = 6 \\[8pt] x^2 &\colon \quad p^2 + 2q = 13 \\[8pt] x^1 &\colon \quad 2pq = a \\[8pt] x^0 &\colon \quad q^2 = b \end{aligned} $$ Z równania przy potędze \(x^3\) natychmiast wyznaczamy współczynnik \(p\): $$ 2p = 6 \implies p = 3 $$ Wstawiamy obliczone \(p = 3\) do równania przy potędze \(x^2\), aby wyznaczyć \(q\): $$ \begin{aligned} 3^2 + 2q &= 13 \\[8pt] 9 + 2q &= 13 \\[8pt] 2q &= 4 \implies q = 2 \end{aligned} $$ Mając wyznaczone parametry trójmianu \(p = 3\) oraz \(q = 2\), obliczamy szukane współczynniki \(a\) i \(b\): $$ \begin{aligned} a &= 2pq = 2 \cdot 3 \cdot 2 = 12 \\[8pt] b &= q^2 = 2^2 = 4 \end{aligned} $$ -
Sposób II – Metoda algebraicznego dopełniania do pełnego kwadratu sumy:
Możemy przekształcić wielomian \(W(x)\), zwijając dwa pierwsze składniki \(x^4 + 6x^3\) do kwadratu sumy na podstawie wzoru skróconego mnożenia: $$ (x^2 + 3x)^2 = x^4 + 6x^3 + 9x^2 \implies x^4 + 6x^3 = (x^2 + 3x)^2 - 9x^2 $$ Wstawiamy to wyrażenie do wielomianu \(W(x)\): $$ \begin{aligned} W(x) &= (x^2 + 3x)^2 - 9x^2 + 13x^2 + ax + b \\[8pt] &= (x^2 + 3x)^2 + 4x^2 + ax + b \end{aligned} $$ Aby cały wielomian \(W(x)\) był kwadratem trójmianu postaci \([(x^2 + 3x) + q]^2\), rozpisujemy ten kwadrat: $$ \begin{aligned} [(x^2 + 3x) + q]^2 &= (x^2 + 3x)^2 + 2q(x^2 + 3x) + q^2 \\[8pt] &= (x^2 + 3x)^2 + 2qx^2 + 6qx + q^2 \end{aligned} $$ Porównując wyrażenia stojące poza nawiasem \((x^2 + 3x)^2\): $$ 4x^2 + ax + b = 2qx^2 + 6qx + q^2 $$ Przyrównując współczynniki przy odpowiednich potęgach, otrzymujemy: $$ \begin{aligned} 2q = 4 &\implies q = 2 \\[8pt] a = 6q &\implies a = 6 \cdot 2 = 12 \\[8pt] b = q^2 &\implies b = 2^2 = 4 \end{aligned} $$
Odpowiedź:
Szukane współczynniki to \(a = 12\) oraz \(b = 4\) (wielomian jest kwadratem trójmianu \(x^2 + 3x + 2\) lub \(-x^2 - 3x - 2\)).
Szukane współczynniki to \(a = 12\) oraz \(b = 4\) (wielomian jest kwadratem trójmianu \(x^2 + 3x + 2\) lub \(-x^2 - 3x - 2\)).
Wideolekcja:
Nagranie wideo do tego zadania pojawi się wkrótce.
Obejrzyj pełne omówienie zadania krok po kroku:
Zadanie 3 (2 pkt)
Wykaż, że dla każdego \(n \in \mathbb{N}\) liczba \(n^4 + 2n^3 + n^2\) jest podzielna przez \(4\).
Dowód został przeprowadzony. Wyrażenie sprowadzono do postaci \([n(n + 1)]^2 = (2k)^2 = 4k^2\), gdzie \(k \in \mathbb{N}\), co dowodzi podzielności przez \(4\) dla każdego \(n \in \mathbb{N}\).
Wskazówki:
- Wyłącz wspólny czynnik przed nawias, a następnie zastosuj wzór skróconego mnożenia na kwadrat sumy.
- Zauważ, że wyrażenie można zapisać jako kwadrat iloczynu dwóch kolejnych liczb naturalnych. Zastanów się nad parzystością takich liczb.
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Wyłączenie wspólnego czynnika i zastosowanie wzoru skróconego mnożenia:
Rozpatrujemy wyjściowe wyrażenie algebraiczne: $$n^4 + 2n^3 + n^2$$ Wyłączamy wspólny czynnik \(n^2\) przed nawias: $$n^2(n^2 + 2n + 1)$$ Zauważamy, że wyrażenie w nawiasie stanowi wzór skróconego mnożenia na kwadrat sumy \((a + b)^2 = a^2 + 2ab + b^2\) dla \(a = n\) oraz \(b = 1\): $$n^2 + 2n + 1 = (n + 1)^2$$ Wstawiając tę postać, otrzymujemy iloczyn kwadratów, który możemy zapisać jako kwadrat całego iloczynu: $$\begin{aligned} n^4 + 2n^3 + n^2 &= n^2(n + 1)^2 \\[8pt] &= [n(n + 1)]^2 \end{aligned}$$ -
Sposób I – Własność iloczynu dwóch kolejnych liczb naturalnych:
Czynniki \(n\) oraz \(n + 1\) to dwie kolejne liczby naturalne. Wśród każdych dwóch kolejnych liczb naturalnych dokładnie jedna jest parzysta (podzielna przez \(2\)).
Zatem ich iloczyn \(n(n + 1)\) jest zawsze liczbą parzystą, co pozwala zapisać go w postaci: $$n(n + 1) = 2k, \quad \text{gdzie } k \in \mathbb{N}$$ Podnosząc ten iloczyn do kwadratu, otrzymujemy: $$\begin{aligned} [n(n + 1)]^2 &= (2k)^2 \\[8pt] &= 4k^2 \end{aligned}$$ Ponieważ \(k\) jest liczbą naturalną, to \(k^2\) również jest liczbą naturalną. Wyrażenie \(4k^2\) jest iloczynem liczby \(4\) oraz liczby całkowitej, co bezwzględnie dowodzi, że jest ono podzielne przez \(4\). -
Sposób II – Analiza przypadków ze względu na parzystość liczby \(n\):
Możemy również przeprowadzić bezpośrednią analizę parzystości liczby \(n\) w wyrażeniu \(n^2(n + 1)^2\):
• Przypadek 1: Liczba \(n\) jest parzysta.
Wtedy \(n = 2k\) dla pewnego \(k \in \mathbb{N}\). Podstawiamy tę postać do wyrażenia: $$\begin{aligned} n^2(n + 1)^2 &= (2k)^2 \cdot (2k + 1)^2 \\[8pt] &= 4k^2(2k + 1)^2 \end{aligned}$$ Obecność czynnika \(4\) przed iloczynem dowodzi, że liczba ta jest podzielna przez \(4\).
• Przypadek 2: Liczba \(n\) jest nieparzysta.
Wtedy \(n = 2k + 1\) dla pewnego \(k \in \mathbb{N}\). Wówczas liczba \(n + 1\) jest parzysta: $$n + 1 = 2k + 1 + 1 = 2k + 2 = 2(k + 1)$$ Podstawiamy to do wyrażenia: $$\begin{aligned} n^2(n + 1)^2 &= (2k + 1)^2 \cdot [2(k + 1)]^2 \\[8pt] &= (2k + 1)^2 \cdot 4(k + 1)^2 \\[8pt] &= 4(2k + 1)^2(k + 1)^2 \end{aligned}$$ W tym przypadku również udało się wyłączyć czynnik \(4\), co potwierdza podzielność przez \(4\).
Ponieważ każda liczba naturalna jest parzysta albo nieparzysta, wykazano, że dla każdego \(n \in \mathbb{N}\) liczba \(n^4 + 2n^3 + n^2\) jest podzielna przez \(4\).
Odpowiedź:
Przeprowadzono dowód. Wyrażenie \(n^4 + 2n^3 + n^2\) sprowadzono do postaci \([n(n + 1)]^2 = 4k^2\) dla pewnego \(k \in \mathbb{N}\), co dowodzi podzielności przez \(4\) dla każdego \(n \in \mathbb{N}\).
Przeprowadzono dowód. Wyrażenie \(n^4 + 2n^3 + n^2\) sprowadzono do postaci \([n(n + 1)]^2 = 4k^2\) dla pewnego \(k \in \mathbb{N}\), co dowodzi podzielności przez \(4\) dla każdego \(n \in \mathbb{N}\).
Wideolekcja:
Nagranie wideo do tego zadania pojawi się wkrótce.
Obejrzyj pełne omówienie zadania krok po kroku:
Zadanie 4 (4 pkt)
Wyznacz pierwiastki wielomianu \(P(x) = x^4 - 3x^3 + x^2 + 3x - 2\) i określ ich krotność.
\(x = 1\) (pierwiastek dwukrotny)
\(x = -1\) (pierwiastek jednokrotny)
\(x = 2\) (pierwiastek jednokrotny)
\(x = -1\) (pierwiastek jednokrotny)
\(x = 2\) (pierwiastek jednokrotny)
Wskazówki:
- Sprawdź, czy wielomian ma pierwiastki całkowite – zgodnie z twierdzeniem o pierwiastkach wymiernych szukaj ich wśród dzielników wyrazu wolnego \(a_0 = -2\).
- Po odnalezieniu pierwszego pierwiastka obniż stopień wielomianu, dzieląc go przez odpowiedni dwumian za pomocą schematu Hornera lub tradycyjnego dzielenia wielomianów.
- Otrzymany wielomian stopnia trzeciego rozłóż na czynniki metodą grupowania wyrazów oraz wzorami skróconego mnożenia.
- Odczytaj pierwiastki z postaci iloczynowej i określ ich krotności na podstawie wykładników potęg poszczególnych czynników.
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Poszukiwanie pierwszego pierwiastka całkowitego:
Wielomian \(P(x) = x^4 - 3x^3 + x^2 + 3x - 2\) ma współczynniki całkowite. Ewentualnych pierwiastków całkowitych poszukujemy wśród dzielników wyrazu wolnego \(a_0 = -2\). Zbiór dzielników wynosi: $$\{-2, -1, 1, 2\}$$ Obliczamy wartość wielomianu dla \(x = 1\): $$\begin{aligned} P(1) &= 1^4 - 3 \cdot 1^3 + 1^2 + 3 \cdot 1 - 2 \\[8pt] &= 1 - 3 + 1 + 3 - 2 \\[8pt] &= 0 \end{aligned}$$ Wartość wynosi \(0\), zatem liczba \(x = 1\) jest pierwiastkiem wielomianu. Na mocy twierdzenia Bézouta wielomian \(P(x)\) jest podzielny przez dwumian \((x - 1)\). -
Dzielenie wielomianu przez dwumian \((x - 1)\) za pomocą schematu Hornera:
Wypisujemy współczynniki wielomianu \(P(x)\): \([1, -3, 1, 3, -2]\) i wykonujemy dzielenie przez \(x - 1\) (dla \(c = 1\)): $$\begin{array}{r|r|r|r|r|r} & 1 & -3 & 1 & 3 & -2 \\ \hline 1 & 1 & -2 & -1 & 2 & 0 \end{array}$$ Otrzymany iloraz to wielomian stopnia trzeciego \(Q(x) = x^3 - 2x^2 - x + 2\), a reszta wynosi \(0\). Możemy zatem zapisać: $$P(x) = (x - 1)(x^3 - 2x^2 - x + 2)$$ -
Rozkład wielomianu stopnia trzeciego metodą grupowania wyrazów:
Rozkładamy wielomian \(Q(x) = x^3 - 2x^2 - x + 2\) na czynniki liniowe, grupując po dwa wyrazy: $$\begin{aligned} Q(x) &= x^2(x - 2) - 1 \cdot (x - 2) \\[8pt] &= (x^2 - 1)(x - 2) \end{aligned}$$ Korzystamy ze wzoru skróconego mnożenia na różnicę kwadratów \(a^2 - b^2 = (a - b)(a + b)\): $$x^2 - 1 = (x - 1)(x + 1)$$ Zatem: $$Q(x) = (x - 1)(x + 1)(x - 2)$$ Podstawiamy otrzymany rozkład do wyjściowej postaci wielomianu \(P(x)\): $$\begin{aligned} P(x) &= (x - 1) \cdot (x - 1)(x + 1)(x - 2) \\[8pt] &= (x - 1)^2(x + 1)(x - 2) \end{aligned}$$ -
Wyznaczenie pierwiastków, określenie ich krotności oraz interpretacja graficzna:
Przyrównujemy postać iloczynową do zera: $$(x - 1)^2(x + 1)(x - 2) = 0$$ Iloczyn jest równy zero, gdy co najmniej jeden z czynników jest równy zero: $$\begin{aligned} (x - 1)^2 = 0 &\implies x = 1 \quad \text{o krotności 2 (pierwiastek dwukrotny)} \\[8pt] x + 1 = 0 &\implies x = -1 \quad \text{o krotności 1 (pierwiastek jednokrotny)} \\[8pt] x - 2 = 0 &\implies x = 2 \quad \text{o krotności 1 (pierwiastek jednokrotny)} \end{aligned}$$ Krotność pierwiastka określa zachowanie wykresu wielomianu: dla krotności parzystej (tutaj \(x = 1\)) wykres jest styczny do osi i odbija się od niej, natomiast dla krotności nieparzystej (\(x = -1\) oraz \(x = 2\)) wykres przecina oś \(OX\).
Odpowiedź:
Pierwiastkami wielomianu są: \(x = 1\) (pierwiastek dwukrotny), \(x = -1\) (pierwiastek jednokrotny) oraz \(x = 2\) (pierwiastek jednokrotny).
Pierwiastkami wielomianu są: \(x = 1\) (pierwiastek dwukrotny), \(x = -1\) (pierwiastek jednokrotny) oraz \(x = 2\) (pierwiastek jednokrotny).
Wideolekcja:
Nagranie wideo do tego zadania pojawi się wkrótce.
Obejrzyj pełne omówienie zadania krok po kroku:
Zadanie 5 (3 pkt)
Wykaż, że równanie \(x^4 + 3x^2 - 2x + 4 = 0\) nie ma pierwiastków rzeczywistych.
Równanie nie ma pierwiastków rzeczywistych, ponieważ dla każdego \(x \in \mathbb{R}\) lewa strona równania przyjmuje wyłącznie wartości ściśle dodatnie (\(x^4 + 3x^2 - 2x + 4 \ge 3 > 0\)), zatem nie może równać się \(0\).
Wskazówki:
- Aby dowieść, że dane równanie nie posiada pierwiastków rzeczywistych, wystarczy wykazać, że wyrażenie po lewej stronie przyjmuje dla każdej liczby rzeczywistej \(x \in \mathbb{R}\) wartości ściśle większe od zera (czyli \(L(x) > 0\)).
- Przekształć lewą stronę równania, grupując odpowiednie wyrazy w sumę kwadratów przy wykorzystaniu wzoru skróconego mnożenia na kwadrat różnicy: \((a - b)^2 = a^2 - 2ab + b^2\).
- Alternatywnie można wydzielić składnik czwartego stopnia \(x^4\) oraz trójmian kwadratowy i zbadać znak jego wyróżnika \(\Delta\).
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Sposób I – Przekształcenie lewej strony równania do postaci sumy kwadratów:
Zapisujemy wyjściowe równanie: $$x^4 + 3x^2 - 2x + 4 = 0$$ Oznaczmy lewą stronę równania jako \(L(x) = x^4 + 3x^2 - 2x + 4\). Rozbijamy wyraz \(3x^2\) na sumę \(2x^2 + x^2\) oraz wyraz wolny \(4\) na sumę \(1 + 3\): $$\begin{aligned} L(x) &= x^4 + 3x^2 - 2x + 4 \\[8pt] &= x^4 + 2x^2 + (x^2 - 2x + 1) + 3 \end{aligned}$$ Zauważmy, że wyrażenie w nawiasie zwija się do kwadratu różnicy zgodnie ze wzorem \((x - 1)^2 = x^2 - 2x + 1\): $$L(x) = x^4 + 2x^2 + (x - 1)^2 + 3$$ Dla dowolnej liczby rzeczywistej \(x \in \mathbb{R}\) kwadrat oraz każda parzysta potęga liczby rzeczywistej jest nieujemna: $$\begin{aligned} x^4 &\ge 0 \\[8pt] 2x^2 &\ge 0 \\[8pt] (x - 1)^2 &\ge 0 \end{aligned}$$ Dodając do sumy tych trzech wyrażeń nieujemnych liczbę dodatnią \(3\), otrzymujemy: $$L(x) = x^4 + 2x^2 + (x - 1)^2 + 3 \ge 0 + 0 + 0 + 3 = 3 > 0$$ Dla każdego \(x \in \mathbb{R}\) lewa strona przyjmuje wartość co najmniej równą \(3\), a więc jest zawsze ściśle dodatnia: $$x^4 + 3x^2 - 2x + 4 > 0$$ Równość \(L(x) = 0\) nie zachodzi dla żadnej liczby rzeczywistej, co dowodzi, że równanie nie posiada pierwiastków rzeczywistych. -
Sposób II – Analiza trójmianu kwadratowego i potęgi parzystej:
Rozbijamy lewą stronę wyjściowego równania na składnik \(x^4\) oraz trójmian kwadratowy: $$L(x) = x^4 + (3x^2 - 2x + 4)$$ Rozpatrzmy trójmian kwadratowy \(T(x) = 3x^2 - 2x + 4\). Jego współczynniki wynoszą: $$a = 3, \quad b = -2, \quad c = 4$$ Obliczamy wyróżnik \(\Delta\) tego trójmianu: $$\begin{aligned} \Delta &= b^2 - 4ac \\[8pt] &= (-2)^2 - 4 \cdot 3 \cdot 4 \\[8pt] &= 4 - 48 \\[8pt] &= -44 \end{aligned}$$ Ponieważ współczynnik przy najwyższej potędze jest dodatni (\(a = 3 > 0\)), a wyróżnik ujemny (\(\Delta = -44 < 0\)), wykres trójmianu leży w całości powyżej osi \(OX\). Wyznaczamy rzędną wierzchołka paraboli \(q\), która stanowi najmniejszą wartość tego trójmianu: $$\begin{aligned} q &= -\dfrac{\Delta}{4a} \\[8pt] &= -\dfrac{-44}{4 \cdot 3} \\[8pt] &= \dfrac{44}{12} = \dfrac{11}{3} \end{aligned}$$ Stąd dla każdego \(x \in \mathbb{R}\) zachodzi nierówność: $$3x^2 - 2x + 4 \ge \dfrac{11}{3}$$ Ponieważ dla każdego \(x \in \mathbb{R}\) zachodzi również warunek \(x^4 \ge 0\), otrzymujemy sumarycznie: $$L(x) = x^4 + (3x^2 - 2x + 4) \ge 0 + \dfrac{11}{3} = \dfrac{11}{3} > 0$$ Lewa strona jest ściśle większa od zera dla każdego \(x \in \mathbb{R}\), zatem równanie \(x^4 + 3x^2 - 2x + 4 = 0\) nie ma rozwiązań w zbiorze liczb rzeczywistych.
Odpowiedź:
Wykazano, że dla każdego \(x \in \mathbb{R}\) lewa strona równania przyjmuje wyłącznie wartości ściśle dodatnie (\(L(x) \ge 3 > 0\)), a zatem równanie nie posiada pierwiastków rzeczywistych.
Wykazano, że dla każdego \(x \in \mathbb{R}\) lewa strona równania przyjmuje wyłącznie wartości ściśle dodatnie (\(L(x) \ge 3 > 0\)), a zatem równanie nie posiada pierwiastków rzeczywistych.
Wideolekcja:
Nagranie wideo do tego zadania pojawi się wkrótce.
Obejrzyj pełne omówienie zadania krok po kroku:
Grupa B
Zadanie 1 (3 pkt)
Dany jest wielomian $W(x) = (x^6 + x^3 - 1)^{500}$.
Określ stopień wielomianu i wyznacz sumę współczynników wielomianu przy parzystych potęgach $x$.
Stopień wielomianu: 3000
Suma współczynników przy parzystych potęgach $x$: $1$
Zadanie 2 (4 pkt)
Wyznacz współczynniki $a$ i $b$ wielomianu $W(x) = x^4 - 10x^3 + 41x^2 + ax + b$ tak, aby $W(x)$ był kwadratem trójmianu kwadratowego.
$a = -80,\quad b = 64$
Zadanie 3 (2 pkt)
Wykaż, że dla każdego $n \in \mathbb{N}$ liczba $n^4 - 6n^3 + 9n^2$ jest podzielna przez 9.
Dowód
Zadanie 4 (4 pkt)
Wyznacz pierwiastki wielomianu $R(x) = x^4 + x^3 - 3x^2 - 5x - 2$ i określ ich krotność.
$x=-1$ o krotności 3,
$x=2$ o krotności 1
Zadanie 5 (3 pkt)
Wykaż, że równanie $x^4 + 6x^2 - 4x + 5 = 0$ nie ma pierwiastków rzeczywistych.
Dowód
