17.4 Działania na ułamkach algebraicznych
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (3 pkt)
Uprość poniższe wyrażenia algebraiczne, sprowadzając je do najprostszej postaci:
a) $$\frac{x+2}{x} - \frac{4}{x} : \frac{5}{x+3}$$
b) $$\frac{(x+2)^2}{x+4} \cdot \left(\frac{x+6}{x+2} - \frac{1}{x+2}\right)$$
a) Uproszczone wyrażenie to $\frac{x-2}{5x}$.
b) Uproszczone wyrażenie to $\frac{(x+2)(x+5)}{x+4}$.
a) Obliczenie pierwszego wyrażenia:
Najpierw wykonujemy dzielenie ułamków:\[ \frac{4}{x} : \frac{5}{x+3} = \frac{4}{x} \cdot \frac{x+3}{5} = \frac{4 \cdot (x+3)}{5x} = \frac{4x+12}{5x} \]Następnie wykonujemy odejmowanie, sprowadzając do wspólnego mianownika $5x$:\[ \frac{x+2}{x} - \frac{4x+12}{5x} = \frac{5 \cdot (x+2)}{5x} - \frac{4x+12}{5x} \]\[ = \frac{5x+10 - (4x+12)}{5x} = \frac{5x+10-4x-12}{5x} \]\[ = \frac{x-2}{5x} \]
b) Obliczenie drugiego wyrażenia:
Najpierw upraszczamy wyrażenie w nawiasie, ponieważ mianowniki są już wspólne:\[ \frac{x+6}{x+2} - \frac{1}{x+2} = \frac{x+6-1}{x+2} = \frac{x+5}{x+2} \]Następnie wykonujemy mnożenie ułamków:\[ \frac{(x+2)^2}{x+4} \cdot \frac{x+5}{x+2} \]Skracamy wspólny czynnik $(x+2)$:\[ = \frac{(x+2) \cdot \cancel{(x+2)}}{x+4} \cdot \frac{x+5}{\cancel{x+2}} \]\[ = \frac{(x+2)(x+5)}{x+4} \]\[ = \frac{x^2+7x+10}{x+4} \]
Zadanie 2 (3 pkt)
Uprość poniższe wyrażenia, zapisując podane ułamki w prostszej postaci:
a) $$\frac{5}{\frac{x+3}{x^2-9}}$$
b) $$\frac{x-2}{x+\frac{4}{x-4}}$$
a) Uproszczone wyrażenie to $5x - 15$.
b) Uproszczone wyrażenie to $\frac{x-4}{x-2}$.
a) Obliczenie pierwszego wyrażenia:\[ \frac{5}{\frac{x+3}{x^2-9}} \]Rozkładamy mianownik wewnętrznego ułamka:\[ x^2-9 = (x-3)(x+3) \]Podstawiamy do wyrażenia:\[ \frac{5}{\frac{x+3}{(x-3)(x+3)}} \]Dla $x \neq -3$, upraszczamy wewnętrzny ułamek:\[ \frac{5}{\frac{1}{x-3}} \]Odwracamy mianownik i mnożymy:\[ 5 \cdot (x-3) = 5x - 15 \]Warunki: $x \neq 3$ i $x \neq -3$.
b) Obliczenie drugiego wyrażenia:\[ \frac{x-2}{x+\frac{4}{x-4}} \]Upraszczamy mianownik głównego ułamka:\[ x+\frac{4}{x-4} \]Sprowadzamy do wspólnego mianownika:\[ \frac{x(x-4)}{x-4}+\frac{4}{x-4} = \frac{x^2-4x+4}{x-4} \]Zauważamy, że licznik to wzór skróconego mnożenia:\[ x^2-4x+4 = (x-2)^2 \]Podstawiamy uproszczony mianownik do głównego wyrażenia:\[ \frac{x-2}{\frac{(x-2)^2}{x-4}} \]Mnożymy przez odwrotność mianownika:\[ (x-2) \cdot \frac{x-4}{(x-2)^2} \]Dla $x \neq 2$, upraszczamy:\[ \frac{x-4}{x-2} \]Warunki: $x \neq 2$ i $x \neq 4$.
Zadanie 3 (4 pkt)
Pokaż, że jeśli $a$ i $b$ są różnymi liczbami niezerowymi, to zachodzi tożsamość:
$$\frac{a}{b} + \left(\frac{b}{a} - 2 + \frac{a}{b}\right) : \frac{b-a}{a} = 1.$$
Zgodnie z przekształceniami, lewa strona tożsamości upraszcza się do $1$, co kończy dowód.
Wyrażenie do udowodnienia to:\[ \frac{a}{b} + \left(\frac{b}{a} - 2 + \frac{a}{b}\right) : \frac{b-a}{a} = 1 \]Zaczynamy od przekształcenia wyrażenia w nawiasie:\[ \frac{b}{a} - 2 + \frac{a}{b} \]Sprowadzamy do wspólnego mianownika $ab$:\[ \frac{b^2}{ab} - \frac{2ab}{ab} + \frac{a^2}{ab} \]Łączymy składniki:\[ \frac{b^2 - 2ab + a^2}{ab} \]Rozpoznajemy wzór skróconego mnożenia w liczniku:\[ \frac{(b-a)^2}{ab} \]Następnie wykonujemy operację dzielenia, która jest równoważna mnożeniu przez odwrotność drugiego ułamka:\[ \frac{(b-a)^2}{ab} : \frac{b-a}{a} = \frac{(b-a)^2}{ab} \cdot \frac{a}{b-a} \]Ponieważ z założenia $a$ i $b$ są różnymi liczbami, $b-a \neq 0$. Możemy więc skrócić jeden czynnik $(b-a)$ z licznika i mianownika:\[ \frac{b-a}{b} \]Teraz podstawiamy to uproszczone wyrażenie z powrotem do początkowej tożsamości:\[ \frac{a}{b} + \frac{b-a}{b} \]Ponieważ oba ułamki mają ten sam mianownik $b$, możemy je dodać:\[ \frac{a + (b-a)}{b} \]Upraszczamy licznik:\[ \frac{a + b - a}{b} = \frac{b}{b} \]Ponieważ z założenia $b$ jest liczbą niezerową, $\frac{b}{b} = 1$.\[ 1 \]Tożsamość została udowodniona.
Zadanie 4 (5 pkt)
Znajdź wielomiany $P(x)$ i $Q(x)$, przy czym $\operatorname{st} P(x) = 1$ oraz $\operatorname{st} Q(x) = 0$, takie że:$$\frac{P(x)}{x-3} - \frac{Q(x)}{x+2} = \frac{3x^2 + 5x + 8}{x^2 - x - 6}.$$
Szukanymi wielomianami są $P(x) = 3x+1$ oraz $Q(x) = 2$.
Zakładamy, że wielomiany mają postać $P(x) = ax+b$ oraz $Q(x) = c$.Następnie sprowadzamy lewą stronę równania do wspólnego mianownika:$$\frac{P(x)}{x-3} - \frac{Q(x)}{x+2} = \frac{P(x)(x+2) - Q(x)(x-3)}{(x-3)(x+2)}$$Podstawiamy formy wielomianów $P(x)$ i $Q(x)$:$$\frac{(ax+b)(x+2) - c(x-3)}{(x-3)(x+2)}$$Rozwijamy licznik:$$\quad (ax+b)(x+2) - c(x-3) \\ \quad = (ax^2 + 2ax + bx + 2b) - (cx - 3c) \\ \quad = ax^2 + (2a+b-c)x + (2b+3c)$$Mianownik $(x-3)(x+2)$ jest równy $x^2 + 2x - 3x - 6 = x^2 - x - 6$. Zatem równanie przyjmuje postać:$$\frac{ax^2 + (2a+b-c)x + (2b+3c)}{x^2 - x - 6} = \frac{3x^2 + 5x + 8}{x^2 - x - 6}$$Porównujemy liczniki wielomianów:$$ax^2 + (2a+b-c)x + (2b+3c) = 3x^2 + 5x + 8$$Porównujemy współczynniki przy tych samych potęgach $x$:1. Współczynnik przy $x^2$:$$a = 3$$2. Współczynnik przy $x$:$$2a+b-c = 5$$3. Wyraz wolny:$$2b+3c = 8$$Podstawiamy wartość $a=3$ do drugiego równania:$$2 \cdot (3) + b - c = 5$$$$6 + b - c = 5$$$$b - c = -1$$Otrzymujemy układ dwóch równań liniowych dla $b$ i $c$:$$\begin{cases} b - c = -1 \\ 2b + 3c = 8 \end{cases}$$Z pierwszego równania wyznaczamy $b$:$$b = c - 1$$Podstawiamy to wyrażenie do drugiego równania:$$2 \cdot (c-1) + 3c = 8$$$$2c - 2 + 3c = 8$$$$5c = 10$$$$c = 2$$Następnie obliczamy wartość $b$:$$b = 2 - 1$$$$b = 1$$Ostatecznie, wartości współczynników to $a=3$, $b=1$, $c=2$.Zatem wielomiany to:$P(x) = 3x + 1$$Q(x) = 2$
Zadanie 5 (4 pkt)
Dane wyrażenie doprowadź do najprostszej postaci. Następnie oblicz jego wartość dla liczby podanej obok tego wyrażenia. $$\frac{1}{a} + \frac{a^2 - 4}{a^3 + 2a^2} : \frac{a^2 - 4a + 4}{2a}, \quad \sqrt{3}$$
Najprostsza postać wyrażenia to $\frac{1}{a - 2}$. Wartość wyrażenia dla $a = \sqrt{3}$ wynosi $-(\sqrt{3} + 2)$.
Upraszczanie wyrażenia:
Rozpoczynamy od rozłożenia na czynniki poszczególnych członów wyrażenia:\[ a^2 - 4 = (a - 2)(a + 2) \]\[ a^3 + 2a^2 = a^2(a + 2) \]\[ a^2 - 4a + 4 = (a - 2)^2 \]Podstawiamy te czynniki do oryginalnego wyrażenia:\[ \frac{1}{a} + \frac{(a - 2)(a + 2)}{a^2(a + 2)} : \frac{(a - 2)^2}{2a} \]Upraszczamy ułamek w środku i zamieniamy dzielenie na mnożenie przez odwrotność:\[ \frac{1}{a} + \frac{a - 2}{a^2} \cdot \frac{2a}{(a - 2)^2} \]Wykonujemy mnożenie i upraszczamy:\[ \frac{1}{a} + \frac{2a \cdot (a - 2)}{a^2 \cdot (a - 2)^2} \]\[ \frac{1}{a} + \frac{2}{a \cdot (a - 2)} \]Doprowadzamy ułamki do wspólnego mianownika, którym jest $a \cdot (a - 2)$:\[ \frac{1 \cdot (a - 2)}{a \cdot (a - 2)} + \frac{2}{a \cdot (a - 2)} \]\[ \frac{a - 2 + 2}{a \cdot (a - 2)} \]\[ \frac{a}{a \cdot (a - 2)} \]Ostatecznie, najprostsza postać wyrażenia to:\[ \frac{1}{a - 2} \]
Obliczanie wartości dla $a = \sqrt{3}$:
Podstawiamy wartość $a = \sqrt{3}$ do uproszczonego wyrażenia:\[ \frac{1}{\sqrt{3} - 2} \]Aby usunąć niewymierność z mianownika, mnożymy licznik i mianownik przez sprzężenie mianownika $(\sqrt{3} + 2)$:\[ \frac{1}{\sqrt{3} - 2} \cdot \frac{\sqrt{3} + 2}{\sqrt{3} + 2} \]Wykonujemy mnożenie:\[ \frac{\sqrt{3} + 2}{(\sqrt{3})^2 - 2^2} \]\[ \frac{\sqrt{3} + 2}{3 - 4} \]\[ \frac{\sqrt{3} + 2}{-1} \]Wartość wyrażenia wynosi:\[ -(\sqrt{3} + 2) \]
Grupa B
Zadanie 1 (3 pkt)
Uprość poniższe wyrażenia algebraiczne, sprowadzając je do najprostszej postaci:
a) $$\frac{x+3}{x} - \frac{6}{x} : \frac{7}{x+4}$$
b) $$\frac{(x+3)^2}{x+5} \cdot \left(\frac{x+7}{x+3} - \frac{4}{x+3}\right)$$
a) Uproszczone wyrażenie to $\frac{x-3}{7x}$.
b) Uproszczone wyrażenie to $\frac{(x+3)^2}{x+5}$.
Zadanie 2 (3 pkt)
Uprość poniższe wyrażenia, zapisując podane ułamki w prostszej postaci:
a) $$\frac{7}{\frac{x+4}{x^2-16}}$$
b) $$\frac{x-3}{x+\frac{9}{x-6}}$$
a) Uproszczone wyrażenie to $7x - 28$.
b) Uproszczone wyrażenie to $\frac{x-6}{x-3}$.
Zadanie 3 (4 pkt)
Pokaż, że jeśli $a$ i $b$ są różnymi liczbami niezerowymi, to zachodzi tożsamość:
$$\frac{b^2}{a^2} + \left(\frac{a^2}{b^2} - 2 + \frac{b^2}{a^2}\right) : \frac{a^2-b^2}{b^2} = 1.$$
Zgodnie z przekształceniami, lewa strona tożsamości upraszcza się do $1$, co kończy dowód.
Zadanie 4 (5 pkt)
Znajdź wielomiany $P(x)$ i $Q(x)$, przy czym $\operatorname{st} P(x) = 1$ oraz $\operatorname{st} Q(x) = 0$, takie że:$$\frac{P(x)}{x-3} - \frac{Q(x)}{x+2} = \frac{x^2 + 3x - 13}{x^2 - x - 6}.$$
Szukanymi wielomianami są $P(x) = x-2$ oraz $Q(x) = -3$.
Zadanie 5 (4 pkt)
Dane wyrażenie doprowadź do najprostszej postaci. Następnie oblicz jego wartość dla liczby podanej obok tego wyrażenia. $$\frac{1}{a} + \frac{a^2 - 4}{a^3 + 2a^2} : \frac{a^2 - 4a + 4}{2a} \quad \sqrt{5}$$
Najprostsza postać wyrażenia to $\frac{1}{a - 2}$. Wartość wyrażenia dla $a = \sqrt{5}$ wynosi $\sqrt{5} + 2$.
