11.12 Równania i nierówności, w których niewiadoma występuje, pod znakiem pierwiastka kwadratowego
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (3 pkt)
Rozwiąż dane równanie, stosując metodę analizy starożytnych.
a) \(\sqrt{-1 - 2x} = -x - 2\)
b) \(\sqrt{x + \sqrt{31 + x}} = 5\)
a) \(\sqrt{-1 - 2x} = -x - 2\)
b) \(\sqrt{x + \sqrt{31 + x}} = 5\)
a) \(x = -5\)
b) \(x = 18\)
b) \(x = 18\)
Wskazówki:
- Metoda analizy starożytnych (metoda wnioskowania) polega na przekształcaniu wyjściowego równania za pomocą operacji jednostronnych (np. obustronnego podnoszenia do kwadratu) bez konieczności wyznaczania dziedziny na wstępie.
- Podnoszenie obu stron do parzystej potęgi może wprowadzić tzw. pierwiastki obce (rozwiązania, które nie spełniają pierwotnego równania).
- Integralną i obowiązkową częścią tej metody jest sprawdzenie każdego otrzymanego wyniku poprzez bezpośrednie podstawienie go do równania wyjściowego.
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Podpunkt a) Rozwiązujemy równanie \(\sqrt{-1 - 2x} = -x - 2\):
Zakładamy, że istnieje liczba \(x\) spełniająca dane równanie, i podnosimy obie strony równania do kwadratu: $$\begin{aligned} \left(\sqrt{-1 - 2x}\right)^2 &= (-x - 2)^2 \\[8pt] -1 - 2x &= x^2 + 4x + 4 \end{aligned}$$ Przenosimy wszystkie wyrazy na jedną stronę, porządkując równanie kwadratowe: $$\begin{aligned} x^2 + 4x + 2x + 4 + 1 &= 0 \\[8pt] x^2 + 6x + 5 &= 0 \end{aligned}$$ Rozkładamy trójmian kwadratowy na czynniki: $$\begin{aligned} (x + 1)(x + 5) &= 0 \\[8pt] x = -1 \quad &\text{lub} \quad x = -5 \end{aligned}$$ Sprawdzenie otrzymanych wartości w równaniu wyjściowym:
Dla \(x = -1\): $$\begin{aligned} L &= \sqrt{-1 - 2 \cdot (-1)} = \sqrt{-1 + 2} = \sqrt{1} = 1 \\[8pt] P &= -(-1) - 2 = 1 - 2 = -1 \\[8pt] L &\neq P \end{aligned}$$ Wartość \(x = -1\) nie spełnia równania (jest pierwiastkiem obcym).
Dla \(x = -5\): $$\begin{aligned} L &= \sqrt{-1 - 2 \cdot (-5)} = \sqrt{-1 + 10} = \sqrt{9} = 3 \\[8pt] P &= -(-5) - 2 = 5 - 2 = 3 \\[8pt] L &= P \end{aligned}$$ Wartość \(x = -5\) spełnia równanie wyjściowe. -
Podpunkt b) Rozwiązujemy równanie \(\sqrt{x + \sqrt{31 + x}} = 5\):
Podnosimy obie strony równania do kwadratu, aby usunąć zewnętrzny pierwiastek: $$\begin{aligned} \left(\sqrt{x + \sqrt{31 + x}}\right)^2 &= 5^2 \\[8pt] x + \sqrt{31 + x} &= 25 \end{aligned}$$ Izolujemy pozostały pierwiastek po lewej stronie równania: $$\sqrt{31 + x} = 25 - x$$ Podnosimy ponownie obie strony do kwadratu: $$\begin{aligned} \left(\sqrt{31 + x}\right)^2 &= (25 - x)^2 \\[8pt] 31 + x &= 625 - 50x + x^2 \end{aligned}$$ Porządkujemy równanie kwadratowe do postaci ogólnej: $$\begin{aligned} x^2 - 50x - x + 625 - 31 &= 0 \\[8pt] x^2 - 51x + 594 &= 0 \end{aligned}$$ Obliczamy wyróżnik \(\Delta\): $$\begin{aligned} \Delta &= (-51)^2 - 4 \cdot 1 \cdot 594 \\[8pt] &= 2601 - 2376 = 225 \\[8pt] \sqrt{\Delta} &= \sqrt{225} = 15 \end{aligned}$$ Wyznaczamy potencjalne rozwiązania: $$\begin{aligned} x_1 &= \dfrac{51 - 15}{2} = \dfrac{36}{2} = 18 \\[8pt] x_2 &= \dfrac{51 + 15}{2} = \dfrac{66}{2} = 33 \end{aligned}$$ Sprawdzenie otrzymanych wartości w równaniu wyjściowym:
Dla \(x = 18\): $$\begin{aligned} L &= \sqrt{18 + \sqrt{31 + 18}} = \sqrt{18 + \sqrt{49}} = \sqrt{18 + 7} = \sqrt{25} = 5 \\[8pt] P &= 5 \\[8pt] L &= P \end{aligned}$$ Wartość \(x = 18\) spełnia równanie wyjściowe.
Dla \(x = 33\): $$\begin{aligned} L &= \sqrt{33 + \sqrt{31 + 33}} = \sqrt{33 + \sqrt{64}} = \sqrt{33 + 8} = \sqrt{41} \\[8pt] P &= 5 \\[8pt] L &\neq P \end{aligned}$$ Wartość \(x = 33\) nie spełnia równania (jest pierwiastkiem obcym, co wynika także z faktu, że dla \(x = 33\) wyrażenie \(25 - x = 25 - 33 = -8 < 0\)).
Odpowiedź:
a) \(x = -5\)
b) \(x = 18\)
a) \(x = -5\)
b) \(x = 18\)
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 (4 pkt)
Rozwiąż dane równanie, stosując metodę równań równoważnych.
a) \(\sqrt{2x + 3} = x\)
b) \(x + 3 = 5 + \sqrt{x - 1}\)
a) \(\sqrt{2x + 3} = x\)
b) \(x + 3 = 5 + \sqrt{x - 1}\)
a) \(x = 3\)
b) \(x = \dfrac{5 + \sqrt{5}}{2}\)
b) \(x = \dfrac{5 + \sqrt{5}}{2}\)
Wskazówki:
- Metoda równań równoważnych polega na przekształcaniu równania w taki sposób, aby na każdym etapie zbiór jego rozwiązań pozostawał dokładnie taki sam.
- Podnoszenie obu stron równania do kwadratu jest operacją równoważną tylko wtedy, gdy obie strony równania są nieujemne.
- Równanie postaci \(\sqrt{f(x)} = g(x)\) jest równoważne układowi warunków: $$ \sqrt{f(x)} = g(x) \iff \begin{cases} g(x) \ge 0 \\ f(x) = [g(x)]^2 \end{cases} $$ (Warunek \(f(x) \ge 0\) jest spełniony automatycznie, ponieważ \(f(x)\) jest równe kwadratowi wyrażenia \(g(x)\)).
- Przed podniesieniem do kwadratu w podpunkcie b) należy najpierw wyizolować pierwiastek po jednej stronie równania.
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Podpunkt a) Rozwiązujemy równanie \(\sqrt{2x + 3} = x\):
Lewa strona jest pierwiastkiem arytmetycznym, a więc przyjmuje wyłącznie wartości nieujemne. Aby równanie miało rozwiązanie, prawa strona również musi być nieujemna: $$ x \ge 0 $$ Określamy również dziedzinę wyrażenia podpierwiastkowego: $$ 2x + 3 \ge 0 \implies 2x \ge -3 \implies x \ge -\dfrac{3}{2} $$ Część wspólna obu warunków daje zbiór dopuszczalnych rozwiązań: $$ x \in \langle 0, +\infty) $$ Przy założeniu \(x \ge 0\) obie strony równania są nieujemne, więc możemy je obustronnie podnieść do kwadratu: $$ \begin{aligned} (\sqrt{2x + 3})^2 &= x^2 \\[8pt] 2x + 3 &= x^2 \\[8pt] x^2 - 2x - 3 &= 0 \end{aligned} $$ Rozwiązujemy powstałe równanie kwadratowe, wyznaczając wyróżnik \(\Delta\): $$ \begin{aligned} \Delta &= (-2)^2 - 4 \cdot 1 \cdot (-3) \\[8pt] &= 4 + 12 = 16 \\[8pt] \sqrt{\Delta} &= \sqrt{16} = 4 \end{aligned} $$ Obliczamy pierwiastki równania: $$ \begin{aligned} x_1 &= \dfrac{-(-2) - 4}{2 \cdot 1} = \dfrac{2 - 4}{2} = \dfrac{-2}{2} = -1 \\[8pt] x_2 &= \dfrac{-(-2) + 4}{2 \cdot 1} = \dfrac{2 + 4}{2} = \dfrac{6}{2} = 3 \end{aligned} $$ Konfrontujemy otrzymane wartości z warunkiem równoważności \(x \ge 0\):- Dla \(x_1 = -1\): liczba nie spełnia warunku (\(-1 < 0\)), jest to tzw. pierwiastek obcy.
- Dla \(x_2 = 3\): liczba spełnia warunek (\(3 \ge 0\)), zatem należy do dziedziny równania.
-
Podpunkt b) Rozwiązujemy równanie \(x + 3 = 5 + \sqrt{x - 1}\):
W pierwszym kroku izolujemy wyrażenie z pierwiastkiem po jednej stronie, przenosząc liczbę \(5\) na lewą stronę: $$ \begin{aligned} x + 3 - 5 &= \sqrt{x - 1} \\[8pt] x - 2 &= \sqrt{x - 1} \end{aligned} $$ czyli: $$ \sqrt{x - 1} = x - 2 $$ Stosujemy metodę równań równoważnych. Ustalamy warunki konieczne:- Wyrażenie pod pierwiastkiem musi być nieujemne: $$ x - 1 \ge 0 \implies x \ge 1 $$
- Prawa strona (równa pierwiastkowi) również musi być nieujemna: $$ x - 2 \ge 0 \implies x \ge 2 $$
- \(x_1 = \dfrac{5 - \sqrt{5}}{2} \approx 1{,}38 < 2\) – nie spełnia warunku, odrzucamy (pierwiastek obcy).
- \(x_2 = \dfrac{5 + \sqrt{5}}{2} \approx 3{,}62 \ge 2\) – spełnia warunek, należy do dziedziny.
Odpowiedź:
a) \(x = 3\)
b) \(x = \dfrac{5 + \sqrt{5}}{2}\)
a) \(x = 3\)
b) \(x = \dfrac{5 + \sqrt{5}}{2}\)
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 3 (4 pkt)
Rozwiąż równanie:
a) \(\sqrt{x^2 - 5x + 7} = x - 1\)
b) \(\sqrt{x + 4} - \sqrt{x - 1} = 1\)
a) \(\sqrt{x^2 - 5x + 7} = x - 1\)
b) \(\sqrt{x + 4} - \sqrt{x - 1} = 1\)
a) \(x = 2\)
b) \(x = 5\)
b) \(x = 5\)
Wskazówki:
- Wyrażenie pod pierwiastkiem kwadratowym musi być nieujemne (\(\ge 0\)). Ponadto wartość pierwiastka kwadratowego jest zawsze liczbą nieujemną, zatem prawa strona równania również musi spełniać warunek nieujemności.
- Równania z pierwiastkami można rozwiązywać dwoma sposobami: precyzyjnie wyznaczając dziedzinę oraz warunki na obie strony przed potęgowaniem (metoda równań równoważnych) lub podnosząc równanie obustronnie do kwadratu i obowiązkowo sprawdzając otrzymane pierwiastki w wyjściowym równaniu (metoda analizy starożytnych).
- W równaniach z dwoma pierwiastkami (podpunkt b) najwygodniej jest przed potęgowaniem przenieść jeden z nich na drugą stronę ze znakiem plus, tak aby po obu stronach znajdowały się sumy wyrażeń nieujemnych.
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Podpunkt a) Rozwiązujemy równanie \(\sqrt{x^2 - 5x + 7} = x - 1\):
Równanie to możemy rozwiązać dwoma równorzędnymi sposobami:
Sposób I – Wyznaczenie założeń i obustronne podniesienie do kwadratu:
Najpierw sprawdzamy warunek istnienia pierwiastka kwadratowego: $$x^2 - 5x + 7 \ge 0$$ Obliczamy wyróżnik trójmianu kwadratowego: $$\begin{aligned} \Delta &= (-5)^2 - 4 \cdot 1 \cdot 7 \\[8pt] &= 25 - 28 = -3 \end{aligned}$$ Ponieważ \(\Delta < 0\) oraz współczynnik przy \(x^2\) jest dodatni (\(a = 1 > 0\)), trójmian przyjmuje wyłącznie wartości dodatnie dla każdej liczby rzeczywistej: $$x \in \mathbb{R}$$ Lewa strona równania jest pierwiastkiem kwadratowym, a więc wartością nieujemną (\(\ge 0\)). Aby równanie mogło mieć rozwiązanie, prawa strona również musi być nieujemna: $$\begin{aligned} x - 1 &\ge 0 \\[8pt] x &\ge 1 \implies x \in \langle 1, +\infty) \end{aligned}$$ Mając pewność, że obie strony równania są nieujemne, możemy podnieść je obustronnie do kwadratu: $$\left(\sqrt{x^2 - 5x + 7}\right)^2 = (x - 1)^2$$ Stosujemy wzór skróconego mnożenia \((a - b)^2 = a^2 - 2ab + b^2\): $$x^2 - 5x + 7 = x^2 - 2x + 1$$ Odejmujemy \(x^2\) od obu stron równania: $$-5x + 7 = -2x + 1$$ Przenosimy wyrażenia z niewiadomą na lewą stronę, a liczby na prawą stronę: $$\begin{aligned} -5x + 2x &= 1 - 7 \\[8pt] -3x &= -6 \\[8pt] x &= \dfrac{-6}{-3} = 2 \end{aligned}$$ Sprawdzamy zgodność z warunkiem \(x \ge 1\): liczba \(2 \ge 1\), a zatem należy do dziedziny rozwiązań.
Sposób II – Metoda analizy starożytnych (sprawdzenie wyniku):
Podnosimy wyjściowe równanie obustronnie do kwadratu bez wstępnych założeń (pamiętając, że operacja ta może wprowadzić pierwiastki obce): $$\begin{aligned} x^2 - 5x + 7 &= (x - 1)^2 \\[8pt] x^2 - 5x + 7 &= x^2 - 2x + 1 \\[8pt] -3x &= -6 \implies x = 2 \end{aligned}$$ Sprawdzamy poprawność otrzymanej liczby, wstawiając \(x = 2\) bezpośrednio do lewej i prawej strony wyjściowego równania: $$\begin{aligned} L &= \sqrt{2^2 - 5 \cdot 2 + 7} = \sqrt{4 - 10 + 7} = \sqrt{1} = 1 \\[8pt] P &= 2 - 1 = 1 \end{aligned}$$ Ponieważ \(L = P\), liczba \(x = 2\) jest poprawnym i jedynym rozwiązaniem równania. -
Podpunkt b) Rozwiązujemy równanie \(\sqrt{x + 4} - \sqrt{x - 1} = 1\):
Równanie możemy rozwiązać na dwa sposoby:
Sposób I – Wyznaczenie dziedziny i przekształcenie do sumy wyrażeń:
Ustalamy warunki nieujemności wyrażeń podpierwiastkowych: $$\begin{aligned} x + 4 &\ge 0 \implies x \ge -4 \\[8pt] x - 1 &\ge 0 \implies x \ge 1 \end{aligned}$$ Wyznaczamy część wspólną obu warunków, otrzymując dziedzinę równania: $$D = \langle 1, +\infty)$$ W wyjściowym równaniu \(\sqrt{x + 4} - \sqrt{x - 1} = 1\) przenosimy wyrażenie \(-\sqrt{x - 1}\) na prawą stronę: $$\sqrt{x + 4} = 1 + \sqrt{x - 1}$$ Dla każdego \(x \in D\) obie strony równania są dodatnie, więc możemy podnieść je obustronnie do kwadratu: $$\left(\sqrt{x + 4}\right)^2 = \left(1 + \sqrt{x - 1}\right)^2$$ Rozpisujemy prawą stronę ze wzoru skróconego mnożenia \((a + b)^2 = a^2 + 2ab + b^2\): $$\begin{aligned} x + 4 &= 1^2 + 2 \cdot 1 \cdot \sqrt{x - 1} + \left(\sqrt{x - 1}\right)^2 \\[8pt] x + 4 &= 1 + 2\sqrt{x - 1} + x - 1 \\[8pt] x + 4 &= x + 2\sqrt{x - 1} \end{aligned}$$ Odejmujemy \(x\) od obu stron równania: $$4 = 2\sqrt{x - 1}$$ Dzielimy obie strony przez \(2\): $$2 = \sqrt{x - 1}$$ Podnosimy ponownie obie strony do kwadratu: $$\begin{aligned} 2^2 &= \left(\sqrt{x - 1}\right)^2 \\[8pt] 4 &= x - 1 \\[8pt] x &= 4 + 1 = 5 \end{aligned}$$ Sprawdzamy przynależność do dziedziny: \(5 \in \langle 1, +\infty)\), więc \(x = 5\) jest rozwiązaniem równania.
Sposób II – Metoda analizy starożytnych (sprawdzenie wyniku):
Przekształcamy równanie do postaci z odseparowanym pierwiastkiem i podnosimy dwukrotnie do kwadratu, co prowadzi do wartości \(x = 5\).
Weryfikujemy poprawność wyniku poprzez podstawienie liczby \(x = 5\) do lewej i prawej strony równania wyjściowego: $$\begin{aligned} L &= \sqrt{5 + 4} - \sqrt{5 - 1} \\[8pt] &= \sqrt{9} - \sqrt{4} \\[8pt] &= 3 - 2 = 1 \\[8pt] P &= 1 \end{aligned}$$ Otrzymaliśmy tożsamość \(L = P\), co potwierdza, że liczba \(x = 5\) jest jedynym rozwiązaniem równania.
Odpowiedź:
a) \(x = 2\)
b) \(x = 5\)
a) \(x = 2\)
b) \(x = 5\)
Wideolekcja:
Nagranie wideo do tego zadania pojawi się wkrótce.
Obejrzyj pełne omówienie zadania krok po kroku:
Zadanie 4 (4 pkt)
Rozwiąż nierówność:
a) \(\sqrt{x - 1} < 7 - x\)
b) \(\sqrt{x + 2} + 2 > x\)
a) \(\sqrt{x - 1} < 7 - x\)
b) \(\sqrt{x + 2} + 2 > x\)
a) \(x \in \langle 1, 5)\)
b) \(x \in \left\langle -2, \dfrac{5 + \sqrt{17}}{2}\right)\)
b) \(x \in \left\langle -2, \dfrac{5 + \sqrt{17}}{2}\right)\)
Wskazówki:
- Zawsze rozpoczynaj od ustalenia dziedziny nierówności – wyrażenie pod pierwiastkiem kwadratowym musi być nieujemne.
- Przy nierówności typu \(\sqrt{f(x)} < g(x)\) prawa strona musi być ściśle dodatnia (\(g(x) > 0\)), ponieważ pierwiastek kwadratowy przyjmuje wyłącznie wartości nieujemne. Przy obu stronach nieujemnych można obustronnie podnieść nierówność do kwadratu.
- Przy nierówności typu \(\sqrt{f(x)} > g(x)\) rozpatrz dwa rozłączne przypadki w zależności od znaku prawej strony: gdy \(g(x) < 0\) (wtedy liczba nieujemna jest zawsze większa od ujemnej) oraz gdy \(g(x) \ge 0\) (wtedy można bezpiecznie podnieść obie strony do kwadratu).
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Podpunkt a) Rozwiązujemy nierówność \(\sqrt{x - 1} < 7 - x\):
Ustalamy dziedzinę nierówności. Wyrażenie podpierwiastkowe nie może być ujemne: $$\begin{aligned} x - 1 &\ge 0 \\[8pt] x &\ge 1 \iff x \in \langle 1, +\infty) \end{aligned}$$ Analizujemy znak prawej strony. Dla każdego \(x\) z dziedziny lewa strona przyjmuje wartości nieujemne (\(\sqrt{x - 1} \ge 0\)). Aby lewa strona mogła być mniejsza od prawej, prawa strona musi być ściśle dodatnia: $$\begin{aligned} 7 - x &> 0 \\[8pt] x &< 7 \end{aligned}$$ Łącząc warunek dziedziny oraz dodatniości prawej strony, otrzymujemy przedział: $$x \in \langle 1, 7)$$ Ponieważ obie strony nierówności są w tym przedziale nieujemne, możemy podnieść je obustronnie do kwadratu bez zmiany zwrotu nierówności: $$\begin{aligned} \left(\sqrt{x - 1}\right)^2 &< (7 - x)^2 \\[8pt] x - 1 &< 49 - 14x + x^2 \\[8pt] 0 &< x^2 - 15x + 50 \\[8pt] x^2 - 15x + 50 &> 0 \end{aligned}$$ Wyznaczamy miejsca zerowe trójmianu kwadratowego: $$\begin{aligned} \Delta &= (-15)^2 - 4 \cdot 1 \cdot 50 \\[8pt] &= 225 - 200 = 25 \\[8pt] \sqrt{\Delta} &= 5 \\[8pt] x_1 &= \dfrac{15 - 5}{2} = 5 \\[8pt] x_2 &= \dfrac{15 + 5}{2} = 10 \end{aligned}$$ Ramiona paraboli są skierowane ku górze (\(a = 1 > 0\)), zatem trójmian przyjmuje wartości dodatnie dla: $$x \in (-\infty, 5) \cup (10, +\infty)$$ Wyznaczamy część wspólną otrzymanego rozwiązania z warunkiem początkowym \(x \in \langle 1, 7)\): $$\begin{aligned} x &\in \langle 1, 7) \cap \Big( (-\infty, 5) \cup (10, +\infty) \Big) \\[8pt] x &\in \langle 1, 5) \end{aligned}$$ -
Zilustrowanie rozwiązania podpunktu a) na osi liczbowej:
Przedstawiamy graficznie nałożenie warunku dziedziny i znaku prawej strony \(x \in \langle 1, 7)\) oraz rozwiązania nierówności kwadratowej \(x \in (-\infty, 5) \cup (10, +\infty)\). -
Podpunkt b) Rozwiązujemy nierówność \(\sqrt{x + 2} + 2 > x\):
Przenosimy liczbę \(2\) na prawą stronę, izolując pierwiastek po lewej stronie: $$\sqrt{x + 2} > x - 2$$ Ustalamy dziedzinę nierówności: $$\begin{aligned} x + 2 &\ge 0 \\[8pt] x &\ge -2 \iff x \in \langle -2, +\infty) \end{aligned}$$ Ponieważ prawa strona (\(x - 2\)) może przyjmować zarówno wartości ujemne, jak i nieujemne, rozpatrujemy dwa rozłączne przypadki w dziedzinie:
Przypadek 1 – Prawa strona jest ujemna (\(x - 2 < 0\)):
Warunek ten oznacza \(x < 2\). Uwzględniając dziedzinę (\(x \ge -2\)), otrzymujemy przedział: $$x \in \langle -2, 2)$$ Dla każdego \(x\) z tego przedziału lewa strona nierówności jest nieujemna (\(\sqrt{x + 2} \ge 0\)), natomiast prawa strona jest ujemna (\(x - 2 < 0\)). Ponieważ każda liczba nieujemna jest większa od dowolnej liczby ujemnej, nierówność jest w tym przypadku spełniona tożsamościowo przez każdą liczbę. Rozwiązaniem Przypadku 1 jest cały przedział: $$x \in \langle -2, 2)$$
Przypadek 2 – Prawa strona jest nieujemna (\(x - 2 \ge 0\)):
Warunek ten oznacza \(x \ge 2\). W tym przedziale obie strony nierówności są nieujemne, więc podnosimy je obustronnie do kwadratu: $$\begin{aligned} \left(\sqrt{x + 2}\right)^2 &> (x - 2)^2 \\[8pt] x + 2 &> x^2 - 4x + 4 \\[8pt] 0 &> x^2 - 5x + 2 \\[8pt] x^2 - 5x + 2 &< 0 \end{aligned}$$ Wyznaczamy pierwiastki trójmianu kwadratowego: $$\begin{aligned} \Delta &= (-5)^2 - 4 \cdot 1 \cdot 2 \\[8pt] &= 25 - 8 = 17 \\[8pt] \sqrt{\Delta} &= \sqrt{17} \\[8pt] x_1 &= \dfrac{5 - \sqrt{17}}{2} \approx 0{,}44 \\[8pt] x_2 &= \dfrac{5 + \sqrt{17}}{2} \approx 4{,}56 \end{aligned}$$ Parabola ma ramiona skierowane ku górze (\(a = 1 > 0\)), więc wartości ujemne przyjmuje między miejscami zerowymi: $$x \in \left(\dfrac{5 - \sqrt{17}}{2}, \dfrac{5 + \sqrt{17}}{2}\right)$$ Wyznaczamy część wspólną z założeniem Przypadku 2 (\(x \ge 2\)). Ponieważ \(\dfrac{5 - \sqrt{17}}{2} \approx 0{,}44 < 2\), otrzymujemy: $$x \in \left[2, \dfrac{5 + \sqrt{17}}{2}\right)$$ -
Zsumowanie przypadków i zilustrowanie rozwiązania podpunktu b):
Ostateczne rozwiązanie nierówności jest sumą rozwiązań uzyskanych w obu rozłącznych przypadkach: $$\begin{aligned} x &\in \langle -2, 2) \cup \left[2, \dfrac{5 + \sqrt{17}}{2}\right) \\[8pt] x &\in \left\langle -2, \dfrac{5 + \sqrt{17}}{2}\right) \end{aligned}$$
Odpowiedź:
a) \(x \in \langle 1, 5)\)
b) \(x \in \left\langle -2, \dfrac{5 + \sqrt{17}}{2}\right)\)
a) \(x \in \langle 1, 5)\)
b) \(x \in \left\langle -2, \dfrac{5 + \sqrt{17}}{2}\right)\)
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 5 (4 pkt)
Rozwiąż równanie:
$$\sqrt{x + 2 - 2\sqrt{x + 1}} + \sqrt{x + 17 - 8\sqrt{x + 1}} = 3$$
\(x \in \langle 0, 15\rangle\) (lub \(0 \le x \le 15\))
Wskazówki:
- Wyznacz dziedzinę równania, pamiętając, że wyrażenia pod pierwiastkami kwadratowymi muszą być nieujemne.
- Zauważ, że wyrażenia pod głównymi pierwiastkami można zwinąć do kwadratu różnicy za pomocą wzoru skróconego mnożenia: \((a - b)^2 = a^2 - 2ab + b^2\).
- Zastosuj tożsamość pierwiastka z kwadratu: \(\sqrt{A^2} = |A|\).
- Wprowadź pomocniczą zmienną \(t = \sqrt{x + 1}\) (\(t \ge 0\)) i rozwiąż prostsze równanie z wartością bezwzględną metodą przedziałów lub interpretacją odległości na osi liczbowej.
- Wróć do zmiennej wyjściowej \(x\) i sprawdź zgodność z dziedziną.
Rozwiązanie krok po kroku:
-
Wyznaczenie dziedziny i zwinięcie wyrażeń pod pierwiastkami do kwadratów różnic:
Rozważmy wyjściowe równanie: $$\sqrt{x + 2 - 2\sqrt{x + 1}} + \sqrt{x + 17 - 8\sqrt{x + 1}} = 3$$ Wyrażenie pod pierwiastkiem wewnętrznym musi być nieujemne: $$x + 1 \ge 0 \implies x \ge -1$$ Zauważmy, że oba wyrażenia pod głównymi pierwiastkami dają się przedstawić jako pełne kwadraty różnic: $$\begin{aligned} x + 2 - 2\sqrt{x + 1} &= (x + 1) - 2\sqrt{x + 1} + 1 \\[8pt] &= \left(\sqrt{x + 1}\right)^2 - 2 \cdot \sqrt{x + 1} \cdot 1 + 1^2 \\[8pt] &= \left(\sqrt{x + 1} - 1\right)^2 \end{aligned}$$ oraz: $$\begin{aligned} x + 17 - 8\sqrt{x + 1} &= (x + 1) - 8\sqrt{x + 1} + 16 \\[8pt] &= \left(\sqrt{x + 1}\right)^2 - 2 \cdot \sqrt{x + 1} \cdot 4 + 4^2 \\[8pt] &= \left(\sqrt{x + 1} - 4\right)^2 \end{aligned}$$ Kwadrat dowolnej liczby rzeczywistej jest zawsze nieujemny, więc dla każdego \(x \ge -1\) wyrażenia pod oboma pierwiastkami spełniają warunek nieujemności. Dziedziną równania jest zbiór: $$D = \langle -1, +\infty)$$ -
Zastosowanie tożsamości \(\sqrt{A^2} = |A|\) i wprowadzenie zmiennej pomocniczej:
Korzystając z własności pierwiastka kwadratowego \(\sqrt{A^2} = |A|\), zapisujemy równanie w postaci modułowej: $$\left|\sqrt{x + 1} - 1\right| + \left|\sqrt{x + 1} - 4\right| = 3$$ Wprowadzamy zmienną pomocniczą: $$t = \sqrt{x + 1}, \quad \text{gdzie } t \ge 0$$ Otrzymujemy prostsze równanie z jedną niewiadomą \(t\): $$|t - 1| + |t - 4| = 3$$ -
Sposób I – Rozwiązanie algebraiczne równania metodą przedziałów dla \(t\):
Miejscami zerowymi wyrażeń pod wartościami bezwzględnymi są liczby \(t = 1\) oraz \(t = 4\). Uwzględniając założenie \(t \ge 0\), rozpatrujemy trzy przypadki:
Przypadek 1: \(t \in \langle 0, 1)\)
Oba wyrażenia pod modułami są ujemne, więc opuszczamy wartości bezwzględne ze zmianą znaku: $$\begin{aligned} -(t - 1) - (t - 4) &= 3 \\[8pt] -t + 1 - t + 4 &= 3 \\[8pt] -2t + 5 &= 3 \\[8pt] -2t &= -2 \\[8pt] t &= 1 \end{aligned}$$ Liczba \(t = 1\) nie należy do rozpatrywanego przedziału \(\langle 0, 1)\), zatem w tym przedziale brak rozwiązań.
Przypadek 2: \(t \in \langle 1, 4\rangle\)
Pierwsze wyrażenie jest nieujemne, a drugie niedodatnie: $$\begin{aligned} (t - 1) - (t - 4) &= 3 \\[8pt] t - 1 - t + 4 &= 3 \\[8pt] 3 &= 3 \end{aligned}$$ Otrzymaliśmy tożsamość prawdziwą dla każdej liczby z tego przedziału. Zatem wszystkie liczby \(t \in \langle 1, 4\rangle\) są rozwiązaniami.
Przypadek 3: \(t \in (4, +\infty)\)
Oba wyrażenia pod modułami są dodatnie: $$\begin{aligned} (t - 1) + (t - 4) &= 3 \\[8pt] 2t - 5 &= 3 \\[8pt] 2t &= 8 \\[8pt] t &= 4 \end{aligned}$$ Liczba \(t = 4\) nie należy do przedziału \((4, +\infty)\).
Łącząc wyniki ze wszystkich trzech przypadków, otrzymujemy: $$t \in \langle 1, 4\rangle$$ -
Sposób II – Geometryczna interpretacja wartości bezwzględnej jako odległości:
Wyrażenie \(|t - 1|\) to odległość punktu \(t\) od liczby \(1\) na osi liczbowej, natomiast \(|t - 4|\) to odległość punktu \(t\) od liczby \(4\).
Równanie: $$|t - 1| + |t - 4| = 3$$ pyta o punkty \(t\), dla których suma odległości od punktów \(1\) i \(4\) wynosi dokładnie \(3\).
Ponieważ odległość między punktami \(1\) i \(4\) wynosi dokładnie \(|4 - 1| = 3\), to dla każdego punktu leżącego pomiędzy nimi (wraz z końcami) suma odległości jest stała i wynosi \(3\). Dla punktów położonych na zewnątrz odcinka \(\langle 1, 4\rangle\) suma ta jest zawsze ściśle większa od \(3\).
Stąd natychmiast otrzymujemy: $$t \in \langle 1, 4\rangle$$ -
Powrót do zmiennej \(x\) i wyznaczenie zbioru rozwiązań:
Wracamy do podstawienia \(t = \sqrt{x + 1}\). Z warunku \(t \in \langle 1, 4\rangle\) zapisujemy podwójną nierówność: $$1 \le \sqrt{x + 1} \le 4$$ Ponieważ wszystkie strony nierówności są dodatnie, możemy podnieść je obustronnie do kwadratu bez zmiany kierunku nierówności: $$\begin{aligned} 1^2 &\le \left(\sqrt{x + 1}\right)^2 \le 4^2 \\[8pt] 1 &\le x + 1 \le 16 \end{aligned}$$ Odejmujemy \(1\) od każdej części nierówności: $$\begin{aligned} 1 - 1 &\le x \le 16 - 1 \\[8pt] 0 &\le x \le 15 \end{aligned}$$ Porównujemy wyznaczony zbiór z dziedziną \(D = \langle -1, +\infty)\). Cały przedział \(\langle 0, 15\rangle\) mieści się w dziedzinie, zatem ostatecznym zbiorem rozwiązań równania jest: $$x \in \langle 0, 15\rangle$$
Odpowiedź:
Rozwiązaniem równania jest przedział \(x \in \langle 0, 15\rangle\) (czyli \(0 \le x \le 15\)).
Rozwiązaniem równania jest przedział \(x \in \langle 0, 15\rangle\) (czyli \(0 \le x \le 15\)).
Wideolekcja:
Nagranie wideo do tego zadania pojawi się wkrótce.
Obejrzyj pełne omówienie zadania krok po kroku:
Grupa B
Zadanie 1 (3 pkt)
Rozwiąż dane równanie, stosując metodę analizy starożytnych.
a) $\sqrt{-4-4x} = -x - 1$
b) $\sqrt{x + \sqrt{20+x}} = 6$
a) Rozwiązaniami równania są $x = -1$ i $x = -5$.
b) Rozwiązaniem równania jest $x = 29$.
Zadanie 2 (4 pkt)
Rozwiąż dane równanie, stosując metodę równań równoważnych.
a) $\sqrt{3x+1} = x-1$
b) $x+6 = 7 + \sqrt{x+2}$
a) Jedynym rozwiązaniem równania jest $x = 5$.
b) Rozwiązaniem równania jest $x = \frac{3 + \sqrt{13}}{2}$.
Zadanie 3 (4 pkt)
Rozwiąż równanie:
a) $\sqrt{9x^2 - 12x + 4} = 3x - 2$
b) $\sqrt{4x + 5} - \sqrt{x + 2} = 1$
a) Rozwiązaniem równania jest każda liczba rzeczywista $x \ge \frac{2}{3}$. Zatem zbiór rozwiązań to $x \in \left[\frac{2}{3}, \infty\right)$.
b) Rozwiązaniem równania jest $x = \frac{-4 + 2\sqrt{13}}{9}$.
Zadanie 4 (4 pkt)
Rozwiąż nierówność:
a) $\sqrt{x-3} < 9-x$
b) $\sqrt{x+4}+4 > x$
a) Rozwiązaniem nierówności jest przedział $x \in [3, 7)$.
b) Rozwiązaniem nierówności jest przedział $x \in [-4, \frac{9 + \sqrt{33}}{2})$.
Zadanie 5 (4 pkt)
Rozwiąż równanie:
$\sqrt{x+1} + \sqrt{x+26-10\sqrt{x+1}} = 5$
Rozwiązaniem równania jest przedział $x \in [-1, 24]$.
