Ułamki algebraiczne. Równania i nierówności wymierne. Funkcje wymierne
Sprawdzian
Grupa A
Zadanie 1 (4 pkt)
Rozwiąż podane równania i nierówności.
a) \(x + 1 = \dfrac{4}{x} + \dfrac{1}{x-1}\)
b) \(\dfrac{x+1}{x^3 - x^2} \le \dfrac{x-1}{x^3 + 2x^2}\)
a) \(x + 1 = \dfrac{4}{x} + \dfrac{1}{x-1}\)
b) \(\dfrac{x+1}{x^3 - x^2} \le \dfrac{x-1}{x^3 + 2x^2}\)
a) \(x = -1 - \sqrt{3} \quad\) lub \(\quad x = -1 + \sqrt{3} \quad\) lub \(\quad x = 2\)
b) \(x \in (-\infty, -2) \cup \left[-\dfrac{1}{5}, 0\right) \cup (0, 1)\)
b) \(x \in (-\infty, -2) \cup \left[-\dfrac{1}{5}, 0\right) \cup (0, 1)\)
Wskazówki:
- W równaniach i nierównościach wymiernych bezwzględnym pierwszym krokiem jest określenie dziedziny – mianowniki wszystkich ułamków muszą być różne od zera.
- W podpunkcie a) po ustaleniu założeń pomnóż obie strony równania przez wspólny mianownik, doprowadź do postaci wielomianowej, a następnie poszukaj pierwiastka całkowitego wśród dzielników wyrazu wolnego.
- W podpunkcie b) przenieś wszystkie wyrażenia na lewą stronę nierówności i sprowadź do wspólnego mianownika. Pamiętaj, że badając znak ilorazu, możemy zastąpić go iloczynem, uwzględniając krotności pierwiastków (pierwiastek o krotności parzystej oznacza odbicie wykresu od osi). Punkty zerujące mianownik nie mogą należeć do zbioru rozwiązań.
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Podpunkt a) Wyznaczenie dziedziny równania \(x + 1 = \dfrac{4}{x} + \dfrac{1}{x-1}\):
Mianowniki występujące po prawej stronie równania nie mogą być równe zero: $$\begin{aligned} x &\neq 0 \\[8pt] x - 1 &\neq 0 \implies x \neq 1 \end{aligned}$$ Dziedziną równania jest zbiór wszystkich liczb rzeczywistych z wyłączeniem liczb \(0\) i \(1\): $$D = \mathbb{R} \setminus \{0, 1\}$$ -
Podpunkt a) Przekształcenie równania do postaci wielomianowej i wyznaczenie rozwiązań:
Wychodzimy z wyjściowego równania: $$x + 1 = \dfrac{4}{x} + \dfrac{1}{x-1}$$ Mnożymy obie strony przez wspólny mianownik \(x(x - 1)\): $$(x + 1) \cdot x(x - 1) = \left(\dfrac{4}{x} + \dfrac{1}{x-1}\right) \cdot x(x - 1)$$ Korzystamy ze wzoru skróconego mnożenia \((x + 1)(x - 1) = x^2 - 1\) po lewej stronie: $$\begin{aligned} x(x^2 - 1) &= 4(x - 1) + 1 \cdot x \\[8pt] x^3 - x &= 4x - 4 + x \\[8pt] x^3 - x &= 5x - 4 \end{aligned}$$ Przenosimy wszystkie wyrazy na lewą stronę: $$x^3 - 6x + 4 = 0$$ Szukamy pierwiastków całkowitych wielomianu \(W(x) = x^3 - 6x + 4\) wśród dzielników liczby \(4\), czyli w zbiorze \(\{\pm 1, \pm 2, \pm 4\}\). Sprawdzamy liczbę \(2\): $$W(2) = 2^3 - 6 \cdot 2 + 4 = 8 - 12 + 4 = 0$$ Liczba \(2\) jest pierwiastkiem wielomianu, więc dzieli się on bez reszty przez dwumian \((x - 2)\). Rozkładamy wielomian na czynniki: $$\begin{aligned} x^3 - 6x + 4 &= x^3 - 2x^2 + 2x^2 - 4x - 2x + 4 \\[8pt] &= x^2(x - 2) + 2x(x - 2) - 2(x - 2) \\[8pt] &= (x - 2)(x^2 + 2x - 2) \end{aligned}$$ Przyrównujemy poszczególne czynniki do zera: $$x - 2 = 0 \implies x_1 = 2$$ $$x^2 + 2x - 2 = 0$$ Obliczamy wyróżnik trójmianu kwadratowego: $$\Delta = 2^2 - 4 \cdot 1 \cdot (-2) = 4 + 8 = 12$$ $$\sqrt{\Delta} = \sqrt{12} = 2\sqrt{3}$$ Wyznaczamy pozostałe pierwiastki: $$\begin{aligned} x_2 &= \dfrac{-2 - 2\sqrt{3}}{2} = -1 - \sqrt{3} \\[8pt] x_3 &= \dfrac{-2 + 2\sqrt{3}}{2} = -1 + \sqrt{3} \end{aligned}$$ Wszystkie trzy wyznaczone liczby należą do dziedziny (\(x_1, x_2, x_3 \in D\)), zatem rozwiązaniami równania są: $$x = -1 - \sqrt{3} \quad \text{lub} \quad x = -1 + \sqrt{3} \quad \text{lub} \quad x = 2$$ -
Podpunkt b) Wyznaczenie dziedziny nierówności \(\dfrac{x+1}{x^3 - x^2} \le \dfrac{x-1}{x^3 + 2x^2}\):
Rozkładamy mianowniki obu ułamków na czynniki, wyłączając wspólny czynnik \(x^2\): $$\begin{aligned} x^3 - x^2 &= x^2(x - 1) \\[8pt] x^3 + 2x^2 &= x^2(x + 2) \end{aligned}$$ Mianowniki muszą być różne od zera: $$\begin{aligned} x^2(x - 1) &\neq 0 \implies x \neq 0 \quad \text{oraz} \quad x \neq 1 \\[8pt] x^2(x + 2) &\neq 0 \implies x \neq 0 \quad \text{oraz} \quad x \neq -2 \end{aligned}$$ Wyznaczamy dziedzinę nierówności: $$D = \mathbb{R} \setminus \{-2, 0, 1\}$$ -
Podpunkt b) Przeniesienie wyrażeń na jedną stronę i sprowadzenie do wspólnego mianownika:
Przenosimy prawą stronę nierówności na lewą: $$\dfrac{x+1}{x^2(x - 1)} - \dfrac{x-1}{x^2(x + 2)} \le 0$$ Wspólnym mianownikiem dla obu ułamków jest \(x^2(x - 1)(x + 2)\). Rozszerzamy ułamki: $$\dfrac{(x + 1)(x + 2)}{x^2(x - 1)(x + 2)} - \dfrac{(x - 1)(x - 1)}{x^2(x - 1)(x + 2)} \le 0$$ Zapisujemy na jednej kresce ułamkowej i rozwijamy nawiasy w liczniku: $$\begin{aligned} \dfrac{(x + 1)(x + 2) - (x - 1)^2}{x^2(x - 1)(x + 2)} &\le 0 \\[8pt] \dfrac{(x^2 + 2x + x + 2) - (x^2 - 2x + 1)}{x^2(x - 1)(x + 2)} &\le 0 \\[8pt] \dfrac{x^2 + 3x + 2 - x^2 + 2x - 1}{x^2(x - 1)(x + 2)} &\le 0 \\[8pt] \dfrac{5x + 1}{x^2(x - 1)(x + 2)} &\le 0 \end{aligned}$$ -
Podpunkt b) Wyznaczenie pierwiastków, szkic siatki znaków i odczytanie przedziałów:
Dla \(x \in D\) znak ilorazu jest zgodny ze znakiem iloczynu licznika i mianownika. Rozwiązujemy zatem nierówność wielomianową: $$(5x + 1) \cdot x^2 \cdot (x - 1) \cdot (x + 2) \le 0, \quad \text{dla } x \in D$$ Wyznaczamy miejsca zerowe poszczególnych czynników oraz ich krotności:- \(5x + 1 = 0 \implies x = -\dfrac{1}{5}\) (pierwiastek 1-krotny – zmiana znaku)
- \(x^2 = 0 \implies x = 0\) (pierwiastek 2-krotny, parzystokrotny – brak zmiany znaku, odbicie od osi)
- \(x - 1 = 0 \implies x = 1\) (pierwiastek 1-krotny – zmiana znaku)
- \(x + 2 = 0 \implies x = -2\) (pierwiastek 1-krotny – zmiana znaku)
Szukamy wartości ujemnych lub równych zero (\(\le 0\)). Punkt \(x = -\dfrac{1}{5}\) należy do dziedziny i spełnia nierówność (domknięcie przedziału), natomiast punkty \(-2\), \(0\) oraz \(1\) są wyłączone z dziedziny (kółka otwarte).
Odczytujemy zbiór rozwiązań: $$x \in (-\infty, -2) \cup \left[-\dfrac{1}{5}, 0\right) \cup (0, 1)$$
Odpowiedź:
a) \(x = -1 - \sqrt{3} \quad\) lub \(\quad x = -1 + \sqrt{3} \quad\) lub \(\quad x = 2\)
b) \(x \in (-\infty, -2) \cup \left[-\dfrac{1}{5}, 0\right) \cup (0, 1)\)
a) \(x = -1 - \sqrt{3} \quad\) lub \(\quad x = -1 + \sqrt{3} \quad\) lub \(\quad x = 2\)
b) \(x \in (-\infty, -2) \cup \left[-\dfrac{1}{5}, 0\right) \cup (0, 1)\)
Wideolekcja:
Nagranie wideo do tego zadania pojawi się wkrótce.
Obejrzyj pełne omówienie zadania krok po kroku:
Wideolekcja:
Nagranie wideo do tego zadania pojawi się wkrótce.
Obejrzyj pełne omówienie zadania krok po kroku:
Zadanie 2 (3 pkt)
Rozwiąż nierówność: \(\left|\dfrac{x+4}{2x-1}\right| \le 3\)
\(x \in \left(-\infty, -\dfrac{1}{7}\right] \cup \left[\dfrac{7}{5}, +\infty\right)\)
Wskazówki:
- Wyznacz dziedzinę nierówności, pamiętając, że mianownik ułamka musi być różny od zera (\(2x - 1 \neq 0\)).
- Nierówność postaci \(|w| \le a\) dla \(a \ge 0\) jest równoważna podwójnej nierówności \(-a \le w \le a\), co sprowadza problem do układu dwóch nierówności wymiernych.
- Alternatywnie można skorzystać z własności wartości bezwzględnej ilorazu: mnożąc obustronnie przez nieujemny mianownik \(|2x-1|\), otrzymujemy nierówność \(|x+4| \le 3|2x-1|\), którą można podnieść obustronnie do kwadratu.
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Wyznaczenie dziedziny nierówności:
Wychodzimy z wyjściowej nierówności \(\left|\dfrac{x+4}{2x-1}\right| \le 3\). Wyrażenie w mianowniku nie może być równe zero: $$\begin{aligned} 2x - 1 &\neq 0 \\[8pt] 2x &\neq 1 \\[8pt] x &\neq \dfrac{1}{2} \end{aligned}$$ Dziedziną nierówności jest zbiór \(D = \mathbb{R} \setminus \left\{\dfrac{1}{2}\right\}\). -
Sposób I – Rozbicie na układ dwóch nierówności wymiernych:
Na mocy własności wartości bezwzględnej nierówność \(\left|\dfrac{x+4}{2x-1}\right| \le 3\) jest równoważna koniunkcji: $$-3 \le \dfrac{x+4}{2x-1} \le 3 \iff \begin{cases} \dfrac{x+4}{2x-1} \ge -3 \\[10pt] \dfrac{x+4}{2x-1} \le 3 \end{cases}$$ Rozwiązujemy pierwszą nierówność: $$\begin{aligned} \dfrac{x+4}{2x-1} + 3 &\ge 0 \\[8pt] \dfrac{x+4 + 3(2x-1)}{2x-1} &\ge 0 \\[8pt] \dfrac{x+4 + 6x - 3}{2x-1} &\ge 0 \\[8pt] \dfrac{7x+1}{2x-1} &\ge 0 \end{aligned}$$ Dla \(x \neq \dfrac{1}{2}\) znak ilorazu jest zgodny ze znakiem iloczynu: $$(7x+1)(2x-1) \ge 0$$ Miejscami zerowymi są \(x = -\dfrac{1}{7}\) oraz \(x = \dfrac{1}{2}\). Uwzględniając dziedzinę (\(x \neq \dfrac{1}{2}\)), otrzymujemy: $$x \in \left(-\infty, -\dfrac{1}{7}\right] \cup \left(\dfrac{1}{2}, +\infty\right)$$ Rozwiązujemy drugą nierówność: $$\begin{aligned} \dfrac{x+4}{2x-1} - 3 &\le 0 \\[8pt] \dfrac{x+4 - 3(2x-1)}{2x-1} &\le 0 \\[8pt] \dfrac{x+4 - 6x + 3}{2x-1} &\le 0 \\[8pt] \dfrac{-5x+7}{2x-1} &\le 0 \end{aligned}$$ Mnożymy obie strony przez \(-1\) (co zmienia zwrot nierówności): $$\dfrac{5x-7}{2x-1} \ge 0 \iff (5x-7)(2x-1) \ge 0$$ Miejscami zerowymi są \(x = \dfrac{1}{2}\) oraz \(x = \dfrac{7}{5}\). Uwzględniając \(x \neq \dfrac{1}{2}\), otrzymujemy: $$x \in \left(-\infty, \dfrac{1}{2}\right) \cup \left[\dfrac{7}{5}, +\infty\right)$$ Wyznaczamy część wspólną obu warunków w dziedzinie \(D\): - dla \(x < \dfrac{1}{2}\): \(x \le -\dfrac{1}{7}\), - dla \(x > \dfrac{1}{2}\): \(x \ge \dfrac{7}{5}\). Zatem zbiór rozwiązań to: $$x \in \left(-\infty, -\dfrac{1}{7}\right] \cup \left[\dfrac{7}{5}, +\infty\right)$$ -
Sposób II – Mnożenie przez mianownik i podniesienie do kwadratu:
Zapisujemy wartość bezwzględną ilorazu jako iloraz wartości bezwzględnych: $$\dfrac{|x+4|}{|2x-1|} \le 3$$ Dla każdego \(x \in D\) zachodzi \(|2x-1| > 0\), więc mnożymy obustronnie przez \(|2x-1|\) bez zmiany zwrotu nierówności: $$|x+4| \le 3|2x-1|$$ Obie strony są nieujemne, więc podnosimy je obustronnie do kwadratu: $$(x+4)^2 \le 9(2x-1)^2$$ Przenosimy wyrażenie na lewą stronę i stosujemy wzór skróconego mnożenia na różnicę kwadratów \(A^2 - B^2 = (A - B)(A + B)\): $$\begin{aligned} (x+4)^2 - [3(2x-1)]^2 &\le 0 \\[8pt] [(x+4) - (6x-3)][(x+4) + (6x-3)] &\le 0 \\[8pt] (-5x+7)(7x+1) &\le 0 \end{aligned}$$ Mnożymy obustronnie przez \(-1\): $$(5x-7)(7x+1) \ge 0$$ Miejsca zerowe to \(x = -\dfrac{1}{7}\) oraz \(x = \dfrac{7}{5}\). Parabola ma ramiona skierowane w górę, stąd: $$x \in \left(-\infty, -\dfrac{1}{7}\right] \cup \left[\dfrac{7}{5}, +\infty\right)$$ Punkt wykluczony \(x = \dfrac{1}{2}\) leży na zewnątrz wyznaczonych przedziałów (\(-\dfrac{1}{7} < \dfrac{1}{2} < \dfrac{7}{5}\)), zatem nie wpływa na ostateczną postać przedziałów. -
Interpretacja graficzna rozwiązania na osi liczbowej:
Poniższy rysunek przedstawia wyznaczone przedziały rozwiązań nierówności oraz punkt wyłączony z dziedziny:
Odpowiedź:
Zbiorem rozwiązań nierówności jest \(x \in \left(-\infty, -\dfrac{1}{7}\right] \cup \left[\dfrac{7}{5}, +\infty\right)\).
Zbiorem rozwiązań nierówności jest \(x \in \left(-\infty, -\dfrac{1}{7}\right] \cup \left[\dfrac{7}{5}, +\infty\right)\).
Wideolekcja:
Nagranie wideo do tego zadania pojawi się wkrótce.
Obejrzyj pełne omówienie zadania krok po kroku:
Zadanie 3 (3 pkt)
Wykaż, że jeżeli \(a \neq 0\), to \(a^6 + \dfrac{3}{a^2} \ge 4\).
Dowód został przeprowadzony. Wykazano, że po przekształceniach równoważnych nierówność sprowadza się do postaci \((a^2 - 1)^2(a^4 + 2a^2 + 3) \ge 0\) lub wynika bezpośrednio z nierówności między średnią arytmetyczną a średnią geometryczną dla czterech liczb dodatnich, co jest prawdą dla każdego \(a \neq 0\).
Wskazówki:
- Zauważ, że z założenia \(a \neq 0\), więc \(a^2 > 0\). Możesz wprowadzić pomocniczą zmienną \(t = a^2\), pomnożyć nierówność obustronnie przez dodatnie \(t\) i rozłożyć wielomian na czynniki, wyodrębniając kwadrat wyrażenia.
- Alternatywnie rozbij ułamek \(\dfrac{3}{a^2}\) na sumę trzech jednakowych składników \(\dfrac{1}{a^2} + \dfrac{1}{a^2} + \dfrac{1}{a^2}\) i skorzystaj ze znanej zależności: średnia arytmetyczna liczb dodatnich jest zawsze większa lub równa ich średniej geometrycznej.
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Sposób I – Podstawienie pomocnicze i rozkład algebraiczny na czynniki:
Z założenia mamy \(a \neq 0\), co oznacza, że \(a^2 > 0\). Wprowadzamy zmienną pomocniczą: $$t = a^2, \quad \text{gdzie } t > 0$$ Wyjściowa nierówność przyjmuje postać: $$t^3 + \dfrac{3}{t} \ge 4$$ Ponieważ \(t > 0\), mnożymy obie strony nierówności przez \(t\) bez zmiany zwrotu: $$t^4 + 3 \ge 4t$$ Przenosimy wszystkie wyrazy na lewą stronę: $$t^4 - 4t + 3 \ge 0$$ Rozkładamy lewą stronę na czynniki, rozbijając \(-4t\) na \(-t - 3t\): $$\begin{aligned} t^4 - 4t + 3 &= t^4 - t - 3t + 3 \\[8pt] &= t(t^3 - 1) - 3(t - 1) \\[8pt] &= t(t - 1)(t^2 + t + 1) - 3(t - 1) \\[8pt] &= (t - 1)[t(t^2 + t + 1) - 3] \\[8pt] &= (t - 1)(t^3 + t^2 + t - 3) \end{aligned}$$ W drugim nawiasie suma współczynników wynosi \(1 + 1 + 1 - 3 = 0\), co oznacza, że \(t = 1\) jest jego pierwiastkiem. Wyłączamy czynnik \((t - 1)\): $$\begin{aligned} t^3 + t^2 + t - 3 &= (t^3 - 1) + (t^2 - 1) + (t - 1) \\[8pt] &= (t - 1)(t^2 + t + 1) + (t - 1)(t + 1) + (t - 1) \cdot 1 \\[8pt] &= (t - 1)[(t^2 + t + 1) + (t + 1) + 1] \\[8pt] &= (t - 1)(t^2 + 2t + 3) \end{aligned}$$ Otrzymujemy postać iloczynową: $$(t - 1)^2(t^2 + 2t + 3) \ge 0$$ Uzasadniamy znaki czynników:
• Wyrażenie \((t - 1)^2 \ge 0\) dla każdego \(t \in \mathbb{R}\) jako kwadrat liczby rzeczywistej.
• Trójmian kwadratowy \(t^2 + 2t + 3\) zapisujemy w postaci kanonicznej: $$t^2 + 2t + 3 = (t + 1)^2 + 2 > 0$$ Jego wyróżnik wynosi \(\Delta = 2^2 - 4 \cdot 1 \cdot 3 = 4 - 12 = -8 < 0\), a współczynnik przy \(t^2\) jest dodatni (\(1 > 0\)), więc przyjmuje on wyłącznie wartości dodatnie dla każdego \(t \in \mathbb{R}\).
Iloczyn liczby nieujemnej i liczby dodatniej jest zawsze nieujemny: $$(t - 1)^2(t^2 + 2t + 3) \ge 0$$ Wracając do zmiennej \(a\) (gdzie \(t = a^2\)): $$(a^2 - 1)^2(a^4 + 2a^2 + 3) \ge 0$$ Otrzymana nierówność jest prawdziwa dla każdej liczby rzeczywistej \(a \neq 0\). Ponieważ wszystkie przekształcenia były równoważne, dowodzi to, że: $$a^6 + \dfrac{3}{a^2} \ge 4$$ Równość zachodzi wtedy i tylko wtedy, gdy \(a^2 - 1 = 0\), czyli dla \(a = 1\) lub \(a = -1\). -
Sposób II – Wykorzystanie nierówności między średnią arytmetyczną a geometryczną:
Rozpisujemy lewą stronę nierówności, rozbijając ułamek \(\dfrac{3}{a^2}\) na sumę trzech jednakowych składników: $$a^6 + \dfrac{3}{a^2} = a^6 + \dfrac{1}{a^2} + \dfrac{1}{a^2} + \dfrac{1}{a^2}$$ Dla dowolnych czterech liczb dodatnich zachodzi własność, że ich średnia arytmetyczna jest nie mniejsza niż ich średnia geometryczna: $$\dfrac{x_1 + x_2 + x_3 + x_4}{4} \ge \sqrt[4]{x_1 \cdot x_2 \cdot x_3 \cdot x_4}$$ Ponieważ z założenia \(a \neq 0\), wszystkie cztery wybrane przez nas liczby są dodatnie: $$x_1 = a^6, \quad x_2 = \dfrac{1}{a^2}, \quad x_3 = \dfrac{1}{a^2}, \quad x_4 = \dfrac{1}{a^2}$$ Wstawiamy je do nierówności między średnimi: $$\dfrac{a^6 + \dfrac{1}{a^2} + \dfrac{1}{a^2} + \dfrac{1}{a^2}}{4} \ge \sqrt[4]{a^6 \cdot \dfrac{1}{a^2} \cdot \dfrac{1}{a^2} \cdot \dfrac{1}{a^2}}$$ Obliczamy iloczyn pod pierwiastkiem po prawej stronie: $$a^6 \cdot \dfrac{1}{a^2} \cdot \dfrac{1}{a^2} \cdot \dfrac{1}{a^2} = \dfrac{a^6}{a^6} = 1$$ Zatem prawa strona wynosi: $$\sqrt[4]{1} = 1$$ Otrzymujemy: $$\dfrac{a^6 + \dfrac{3}{a^2}}{4} \ge 1$$ Mnożymy obie strony nierówności przez \(4\): $$a^6 + \dfrac{3}{a^2} \ge 4$$ Równość między średnią arytmetyczną a geometryczną ma miejsce wtedy, gdy wszystkie składniki są równe: $$a^6 = \dfrac{1}{a^2} \iff a^8 = 1 \iff a = 1 \quad \text{lub} \quad a = -1$$ co kończy dowód.
Odpowiedź:
Dowód został przeprowadzony. Wykazano, że po przekształceniach równoważnych nierówność sprowadza się do tożsamościowo prawdziwej relacji \((a^2 - 1)^2(a^4 + 2a^2 + 3) \ge 0\) lub wynika wprost z zależności między średnią arytmetyczną a geometryczną dla czterech liczb dodatnich, co potwierdza, że dla każdego \(a \neq 0\) zachodzi nierówność \(a^6 + \dfrac{3}{a^2} \ge 4\).
Dowód został przeprowadzony. Wykazano, że po przekształceniach równoważnych nierówność sprowadza się do tożsamościowo prawdziwej relacji \((a^2 - 1)^2(a^4 + 2a^2 + 3) \ge 0\) lub wynika wprost z zależności między średnią arytmetyczną a geometryczną dla czterech liczb dodatnich, co potwierdza, że dla każdego \(a \neq 0\) zachodzi nierówność \(a^6 + \dfrac{3}{a^2} \ge 4\).
Wideolekcja:
Nagranie wideo do tego zadania pojawi się wkrótce.
Obejrzyj pełne omówienie zadania krok po kroku:
Zadanie 4 (6 pkt)
Dana jest funkcja \(f(x) = \dfrac{x^2 - 1}{x^2 - 3x + 2}\) dla \(x \in \mathbb{R} \setminus \{1, 2\}\).
Wyznacz wszystkie wartości parametru \(m \in \mathbb{R}\), dla których równanie \(|f(x)| = m^2 + 2m\) ma dokładnie jedno rozwiązanie.
Wyznacz wszystkie wartości parametru \(m \in \mathbb{R}\), dla których równanie \(|f(x)| = m^2 + 2m\) ma dokładnie jedno rozwiązanie.
\(m \in \{-1 - \sqrt{3},\; -1 - \sqrt{2},\; -2,\; 0,\; -1 + \sqrt{2},\; -1 + \sqrt{3}\}\)
Wskazówki:
- Uprość wzór funkcji \(f(x)\), rozkładając licznik i mianownik na czynniki oraz pamiętając o podanej dziedzinie \(D = \mathbb{R} \setminus \{1, 2\}\).
- Wprowadź parametr pomocniczy \(k = m^2 + 2m\), sprowadzając problem do ustalenia, dla jakich wartości \(k\) równanie \(|f(x)| = k\) ma dokładnie jedno rozwiązanie.
- Zadanie możesz rozwiązać graficznie (szkicując wykres \(y = |f(x)|\) z uwzględnieniem „dziury” w punkcie o odciętej \(x = 1\) oraz asymptot) lub algebraicznie (rozbijając równanie z wartością bezwzględną na dwa równania i sprawdzając warunki przynależności do dziedziny).
- Po wyznaczeniu poprawnych wartości \(k\) ułóż i rozwiąż odpowiednie równania kwadratowe ze zmienną \(m\).
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Uproszczenie wzoru funkcji i postać kanoniczna:
Dziedziną funkcji jest zbiór \(D = \mathbb{R} \setminus \{1, 2\}\). Rozkładamy licznik ze wzoru skróconego mnożenia na różnicę kwadratów, a mianownik na postać iloczynową: $$\begin{aligned} x^2 - 1 &= (x - 1)(x + 1) \\[8pt] x^2 - 3x + 2 &= (x - 1)(x - 2) \end{aligned}$$ Dla każdego \(x \in D\) możemy skrócić wspólny czynnik \((x - 1)\): $$f(x) = \dfrac{(x - 1)(x + 1)}{(x - 1)(x - 2)} = \dfrac{x + 1}{x - 2}$$ Zapisujemy funkcję homograficzną w postaci kanonicznej: $$\begin{aligned} f(x) &= \dfrac{x - 2 + 3}{x - 2} \\[8pt] &= 1 + \dfrac{3}{x - 2} \end{aligned}$$ Wykres funkcji \(f\) posiada asymptotę pionową o równaniu \(x = 2\) oraz asymptotę poziomą o równaniu \(y = 1\). Zauważmy, że punkt o odciętej \(x = 1\) nie należy do dziedziny funkcji – gdybyśmy podstawili \(x = 1\) do uproszczonego wzoru, otrzymalibyśmy: $$y = 1 + \dfrac{3}{1 - 2} = 1 - 3 = -2$$ Oznacza to, że punkt \((1, -2)\) jest punktem wyłączonym z wykresu funkcji \(f\). -
Wprowadzenie parametru pomocniczego:
Niech prawa strona równania będzie oznaczona przez parametr pomocniczy \(k\): $$k = m^2 + 2m$$ Równanie przyjmuje prostszą postać: $$|f(x)| = k$$ Ponieważ lewa strona równania jest wartością bezwzględną, dla \(k < 0\) równanie nie posiada rozwiązań. Rozważamy zatem wyłącznie \(k \ge 0\). -
Sposób I – Metoda graficzna (wykres funkcji \(y = |f(x)|\) i prosta pozioma \(y = k\)):
Wykres funkcji \(y = |f(x)|\) powstaje z wykresu funkcji \(y = f(x)\) poprzez pozostawienie części leżącej nad osią \(OX\) bez zmian oraz symetryczne odbicie części leżącej pod osią \(OX\) względem tej osi do góry:
• Miejsce zerowe: \(f(x) = 0 \iff x + 1 = 0 \iff x = -1\). Wykres odbija się w punkcie \((-1, 0)\).
• Wyłączony punkt \((1, -2)\) po odbiciu przechodzi w punkt \((1, |-2|) = (1, 2)\), który stanowi „dziurę” (punkt nienależący do wykresu funkcji \(|f(x)|\)).
• Asymptota pozioma dla \(x \to -\infty\) to \(y = 1\) (wykres zbliża się do niej od dołu na przedziale \((-\infty, -1)\)), a dla \(x \to +\infty\) to również \(y = 1\) (wykres zbliża się do niej od góry).
Liczba rozwiązań równania \(|f(x)| = k\) odpowiada liczbie punktów przecięcia wykresu z poziomą prostą \(y = k\):
• Dla \(k = 0\): prosta \(y = 0\) pokrywa się z osią \(OX\) i styka się z wykresem wyłącznie w punkcie \((-1, 0)\) – daje to dokładnie 1 rozwiązanie (\(x = -1\)).
• Dla \(k \in (0, 1)\): prosta przecina wykres w 2 punktach (jedno ramię po lewej stronie \(x = -1\), drugie w przedziale \((-1, 1)\)) – daje to 2 rozwiązania.
• Dla \(k = 1\): prosta \(y = 1\) jest asymptotą poziomą – oba skrajne ramiona zbliżają się do niej, lecz jej nie przecinają. Jedyny punkt przecięcia leży wewnątrz przedziału \((-1, 1)\) dla \(x = \frac{1}{2}\) – daje to dokładnie 1 rozwiązanie.
• Dla \(k \in (1, 2)\): prosta przecina wykres w 2 punktach – daje to 2 rozwiązania.
• Dla \(k = 2\): prosta \(y = 2\) przechodzi dokładnie przez „dziurę” \((1, 2)\), więc w tym punkcie brak rozwiązania! Przecina ona jednak prawe ramię wykresu w punkcie o odciętej \(x = 5\) (\(f(5) = 1 + \frac{3}{3} = 2\)) – daje to dokładnie 1 rozwiązanie.
• Dla \(k > 2\): prosta przecina lewe ramię rosnące do nieskończoności przy \(x \to 2^-\) oraz prawe ramię przy \(x \to 2^+\) – daje to 2 rozwiązania.
Wnioskujemy, że równanie \(|f(x)| = k\) posiada dokładnie jedno rozwiązanie wyłącznie wtedy, gdy: $$k \in \{0, 1, 2\}$$ -
Sposób II – Metoda algebraiczna:
Rozważamy równanie z parametrem \(k \ge 0\): $$|f(x)| = k \iff f(x) = k \quad \text{lub} \quad f(x) = -k$$ Dla \(k = 0\) mamy: $$f(x) = 0 \iff \dfrac{x + 1}{x - 2} = 0 \iff x + 1 = 0 \iff x = -1$$ Liczba \(x = -1\) należy do dziedziny \(D\), więc dla \(k = 0\) otrzymujemy dokładnie 1 rozwiązanie.
Dla \(k > 0\) analizujemy oba przypadki:
1) Równanie \(f(x) = k\): $$\begin{aligned} \dfrac{x + 1}{x - 2} &= k \\[8pt] x + 1 &= k(x - 2) \\[8pt] x + 1 &= kx - 2k \\[8pt] x(k - 1) &= 2k + 1 \end{aligned}$$ • Jeśli \(k = 1\), równanie przyjmuje postać \(0 = 3\) (sprzeczność – brak rozwiązań).
• Jeśli \(k \neq 1\), otrzymujemy pierwiastek: $$x_1 = \dfrac{2k + 1}{k - 1}$$ Sprawdzamy warunki dziedziny (\(x_1 \neq 1\) oraz \(x_1 \neq 2\)): $$\begin{aligned} \dfrac{2k + 1}{k - 1} = 1 &\iff 2k + 1 = k - 1 \iff k = -2 \quad (\text{odrzucamy, bo } k > 0) \\[8pt] \dfrac{2k + 1}{k - 1} = 2 &\iff 2k + 1 = 2k - 2 \iff 1 = -2 \quad (\text{sprzeczność}) \end{aligned}$$ Zatem dla każdego \(k > 0\) i \(k \neq 1\) rozwiązanie \(x_1\) zawsze należy do dziedziny \(D\).
2) Równanie \(f(x) = -k\): $$\begin{aligned} \dfrac{x + 1}{x - 2} &= -k \\[8pt] x + 1 &= -k(x - 2) \\[8pt] x + 1 &= -kx + 2k \\[8pt] x(k + 1) &= 2k - 1 \end{aligned}$$ Ponieważ \(k > 0\), to \(k + 1 > 0\), stąd: $$x_2 = \dfrac{2k - 1}{k + 1}$$ Sprawdzamy warunki dziedziny (\(x_2 \neq 1\) oraz \(x_2 \neq 2\)): $$\begin{aligned} \dfrac{2k - 1}{k + 1} = 1 &\iff 2k - 1 = k + 1 \iff k = 2 \\[8pt] \dfrac{2k - 1}{k + 1} = 2 &\iff 2k - 1 = 2k + 2 \iff -1 = 2 \quad (\text{sprzeczność}) \end{aligned}$$ Zauważmy, że dla \(k = 2\) otrzymujemy \(x_2 = 1 \notin D\), co oznacza, że to rozwiązanie odpada z dziedziny!
3) Weryfikacja równości pierwiastków \(x_1 = x_2\): $$\begin{aligned} \dfrac{2k + 1}{k - 1} &= \dfrac{2k - 1}{k + 1} \\[8pt] (2k + 1)(k + 1) &= (2k - 1)(k - 1) \\[8pt] 2k^2 + 3k + 1 &= 2k^2 - 3k + 1 \\[8pt] 6k &= 0 \iff k = 0 \end{aligned}$$ Dla \(k > 0\) zawsze zachodzi \(x_1 \neq x_2\).
Podsumowując liczbę rozwiązań w dziedzinie dla \(k > 0\):
• Dla \(k = 1\): pierwsze równanie nie ma rozwiązań, drugie daje \(x_2 = \frac{1}{2} \in D\) – dokładnie 1 rozwiązanie.
• Dla \(k = 2\): pierwsze równanie daje \(x_1 = 5 \in D\), drugie daje \(x_2 = 1 \notin D\) (odpada) – dokładnie 1 rozwiązanie.
• Dla pozostałych \(k > 0\) (\(k \neq 1\) i \(k \neq 2\)): oba rozwiązania \(x_1, x_2\) należą do dziedziny i są różne – 2 rozwiązania.
Otrzymujemy identyczny warunek: \(k \in \{0, 1, 2\}\). -
Wyznaczenie wartości parametru \(m\):
Wracamy do podstawienia \(m^2 + 2m = k\) i rozwiązujemy równania dla poszczególnych wyznaczonych wartości \(k\):
• Przypadek I: \(k = 0\) $$\begin{aligned} m^2 + 2m &= 0 \\[8pt] m(m + 2) &= 0 \\[8pt] m = 0 \quad &\text{lub} \quad m = -2 \end{aligned}$$ • Przypadek II: \(k = 1\) $$m^2 + 2m - 1 = 0$$ $$\begin{aligned} \Delta_1 &= 2^2 - 4 \cdot 1 \cdot (-1) \\[8pt] &= 4 + 4 = 8 \\[8pt] \sqrt{\Delta_1} &= 2\sqrt{2} \end{aligned}$$ $$\begin{aligned} m &= \dfrac{-2 - 2\sqrt{2}}{2} = -1 - \sqrt{2} \\[8pt] &\text{lub} \\[8pt] m &= \dfrac{-2 + 2\sqrt{2}}{2} = -1 + \sqrt{2} \end{aligned}$$ • Przypadek III: \(k = 2\) $$m^2 + 2m - 2 = 0$$ $$\begin{aligned} \Delta_2 &= 2^2 - 4 \cdot 1 \cdot (-2) \\[8pt] &= 4 + 8 = 12 \\[8pt] \sqrt{\Delta_2} &= 2\sqrt{3} \end{aligned}$$ $$\begin{aligned} m &= \dfrac{-2 - 2\sqrt{3}}{2} = -1 - \sqrt{3} \\[8pt] &\text{lub} \\[8pt] m &= \dfrac{-2 + 2\sqrt{3}}{2} = -1 + \sqrt{3} \end{aligned}$$
Odpowiedź:
Równanie ma dokładnie jedno rozwiązanie dla: $$m \in \{-1 - \sqrt{3},\; -1 - \sqrt{2},\; -2,\; 0,\; -1 + \sqrt{2},\; -1 + \sqrt{3}\}$$
Równanie ma dokładnie jedno rozwiązanie dla: $$m \in \{-1 - \sqrt{3},\; -1 - \sqrt{2},\; -2,\; 0,\; -1 + \sqrt{2},\; -1 + \sqrt{3}\}$$
Wideolekcja:
Nagranie wideo do tego zadania pojawi się wkrótce.
Obejrzyj pełne omówienie zadania krok po kroku:
Zadanie 5 (5 pkt)
Wyznacz wszystkie wartości parametru \(m \in \mathbb{R}\), dla których równanie \((m + 1)x^2 - 2mx + m - 3 = 0\) ma dwa rozwiązania niemniejsze od \(0\).
\(m \in \left\langle -\dfrac{3}{2}, -1 \right) \cup \langle 3, \infty)\)
Wskazówki:
- Aby równanie miało dwa rozwiązania, musi być równaniem kwadratowym (\(a \neq 0\)) oraz posiadać nieujemny wyróżnik (\(\Delta \ge 0\)). W szkole średniej sformułowanie „dwa rozwiązania” (bez dopisku „różne”) oznacza dopuszczenie również rozwiązania podwójnego (\(x_1 = x_2\)).
- Warunek, aby oba rozwiązania były niemniejsze od zera (\(x_1 \ge 0\) oraz \(x_2 \ge 0\)), wyrażamy za pomocą wzorów Viète'a: ich suma musi być nieujemna (\(x_1 + x_2 \ge 0\)) oraz ich iloczyn musi być nieujemny (\(x_1 \cdot x_2 \ge 0\)).
- Rozwiąż każdą z nierówności i wyznacz część wspólną wszystkich uzyskanych przedziałów dla parametru \(m\).
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Zapisanie układu warunków dla równania kwadratowego:
Zapisujemy wyjściowe równanie: $$(m + 1)x^2 - 2mx + m - 3 = 0$$ Współczynniki równania wynoszą: $$a = m + 1, \quad b = -2m, \quad c = m - 3$$ Równanie posiada dwa rozwiązania niemniejsze od zera (\(x_1 \ge 0\) oraz \(x_2 \ge 0\)) wtedy i tylko wtedy, gdy spełniony jest układ warunków: $$\begin{cases} a \neq 0 \\[6pt] \Delta \ge 0 \\[6pt] x_1 + x_2 \ge 0 \\[6pt] x_1 \cdot x_2 \ge 0 \end{cases}$$ -
Rozwiązanie Warunku I (\(a \neq 0\)) oraz Warunku II (\(\Delta \ge 0\)):
Z warunku niezerowego współczynnika przy najwyższej potędze: $$\begin{aligned} m + 1 &\neq 0 \\[8pt] m &\neq -1 \end{aligned}$$ Obliczamy wyróżnik \(\Delta\): $$\begin{aligned} \Delta &= b^2 - 4ac \\[8pt] &= (-2m)^2 - 4(m + 1)(m - 3) \\[8pt] &= 4m^2 - 4(m^2 - 3m + m - 3) \\[8pt] &= 4m^2 - 4(m^2 - 2m - 3) \\[8pt] &= 4m^2 - 4m^2 + 8m + 12 \\[8pt] &= 8m + 12 \end{aligned}$$ Rozwiązujemy nierówność \(\Delta \ge 0\): $$\begin{aligned} 8m + 12 &\ge 0 \\[8pt] 8m &\ge -12 \\[8pt] m &\ge -\dfrac{12}{8} \\[8pt] m &\ge -\dfrac{3}{2} \end{aligned}$$ Uwzględniając warunek \(m \neq -1\), otrzymujemy: $$m \in \left\langle -\dfrac{3}{2}, \infty \right) \setminus \{-1\}$$ -
Rozwiązanie Warunku III – Suma pierwiastków niemniejsza od zera (\(x_1 + x_2 \ge 0\)):
Stosujemy wzór Viète'a na sumę pierwiastków \(x_1 + x_2 = -\dfrac{b}{a}\): $$\begin{aligned} x_1 + x_2 &= -\dfrac{-2m}{m + 1} \\[8pt] &= \dfrac{2m}{m + 1} \end{aligned}$$ Rozwiązujemy nierówność: $$\dfrac{2m}{m + 1} \ge 0$$ Dla \(m \neq -1\) znak ilorazu jest tożsamy ze znakiem iloczynu: $$2m(m + 1) \ge 0$$ Miejscami zerowymi są \(m = 0\) oraz \(m = -1\). Ramiona paraboli są skierowane w górę, a punkt \(m = -1\) odpada z dziedziny, zatem: $$m \in (-\infty, -1) \cup \langle 0, \infty)$$ -
Rozwiązanie Warunku IV – Iloczyn pierwiastków niemniejszy od zera (\(x_1 \cdot x_2 \ge 0\)):
Stosujemy wzór Viète'a na iloczyn pierwiastków \(x_1 \cdot x_2 = \dfrac{c}{a}\): $$\dfrac{m - 3}{m + 1} \ge 0$$ Dla \(m \neq -1\) zamieniamy iloraz na iloczyn: $$(m - 3)(m + 1) \ge 0$$ Miejscami zerowymi są \(m = 3\) oraz \(m = -1\). Otrzymujemy przedział: $$m \in (-\infty, -1) \cup \langle 3, \infty)$$ -
Wyznaczenie części wspólnej wszystkich warunków:
Zestawiamy uzyskane przedziały w koniunkcję: $$\begin{cases} m \in \left\langle -\dfrac{3}{2}, \infty \right) \setminus \{-1\} \\[8pt] m \in (-\infty, -1) \cup \langle 0, \infty) \\[8pt] m \in (-\infty, -1) \cup \langle 3, \infty) \end{cases}$$ Wyznaczamy iloczyn poszczególnych przedziałów:
– po lewej stronie liczby \(-1\): $$\left\langle -\dfrac{3}{2}, -1 \right) \cap (-\infty, -1) \cap (-\infty, -1) = \left\langle -\dfrac{3}{2}, -1 \right)$$ – po prawej stronie liczby \(-1\): $$\left\langle -\dfrac{3}{2}, \infty \right) \cap \langle 0, \infty) \cap \langle 3, \infty) = \langle 3, \infty)$$ Ostatecznie zbiór szukanych wartości parametru \(m\) wynosi: $$m \in \left\langle -\dfrac{3}{2}, -1 \right) \cup \langle 3, \infty)$$
Odpowiedź:
Równanie ma dwa rozwiązania niemniejsze od \(0\) dla \(m \in \left\langle -\dfrac{3}{2}, -1 \right) \cup \langle 3, \infty)\).
Równanie ma dwa rozwiązania niemniejsze od \(0\) dla \(m \in \left\langle -\dfrac{3}{2}, -1 \right) \cup \langle 3, \infty)\).
Wideolekcja:
Nagranie wideo do tego zadania pojawi się wkrótce.
Obejrzyj pełne omówienie zadania krok po kroku:
Grupa B
Zadanie 1 (4 pkt)
Rozwiąż podane równania i nierówności.
a) $2x + \frac{1}{x} = \frac{x}{x-1} + \frac{3x-4}{2}$
b) $\frac{2-x}{x^3+x^2} \geq \frac{1-2x}{x^3-3x^2}$
a) $x \in \{-1, -\sqrt{2}, \sqrt{2}\}$
b) $x \in (-\infty, -7] \cup (-1, 0) \cup (0, 1] \cup (3, \infty).$
Zadanie 2 (3 pkt)
Rązwiąż równanie: $\left| \frac{2x - 5}{x + 1} \right| \leq 2$
$x \in \left[{\frac{3}{4}; +\infty}\right)$
Zadanie 3 (3 pkt)
Wykaż, że jeżeli $a \neq 0$, to $a^4 + \frac{20}{a^2} \geq 12$.
Dowód
Zadanie 4 (6 pkt)
Dana jest funkcja $f(x) = \frac{2x^2 - x - 1}{x^2 - 3x + 2}$ dla $x \in \mathbb{R} - \{1, 2\}$.
Wyznacz wszystkie wartości parametru $m \in \mathbb{R}$, dla których równanie $|f(x)| = m^2 + m$ ma dokładnie jedno rozwiązanie.
$m \in \left\{ -2, -1, 0, 1, \frac{-1-\sqrt{13}}{2}, \frac{-1+\sqrt{13}}{2} \right\}.$
Zadanie 5 (5 pkt)
Wyznacz wszystkie wartości parametru $m \in \mathbb{R}$, dla których poniższe równanie ma dwa rozwiązania niemniejsze od $(-1)$.
$(m - 1)x^2 - 2(m + 1)x + m - 2 = 0$
$m \in (1; +\infty)$

Jeden komentarz
Dzięki, super sprawdzian, bardzo pomógł