17.1 Ułamek algebraiczny. Skracanie i rozszerzenie ułamków algebraicznych
Kartkówka
Grupa A
Zadanie 1 (3 pkt)
Określ dziedzinę ułamka algebraicznego:
a) $\frac{x^2}{(7-x)(x+3)}$
b) $\frac{5}{2x^2+5x-3}$
c) $\frac{x-1}{x^3+6x^2+12x+8}$
a) Dziedziną ułamka jest zbiór liczb rzeczywistych z wyłączeniem $-3$ i $7$, co zapisujemy jako $x \in \mathbb{R} \setminus \{-3, 7\}$.
b) Dziedziną ułamka jest zbiór liczb rzeczywistych z wyłączeniem $-3$ i $\frac{1}{2}$, co zapisujemy jako $x \in \mathbb{R} \setminus \left\{-3, \frac{1}{2}\right\}$.
c) Dziedziną ułamka jest zbiór liczb rzeczywistych z wyłączeniem $-2$, co zapisujemy jako $x \in \mathbb{R} \setminus \{-2\}$.
a) Określenie dziedziny ułamka:
Mianownik musi być różny od zera.\[ (7-x)(x+3) \neq 0 \]\[ 7-x \neq 0 \implies x \neq 7 \]\[ x+3 \neq 0 \implies x \neq -3 \]Dziedzina ułamka to:\[ D = \mathbb{R} \setminus \{-3, 7\} \]
b) Określenie dziedziny ułamka:
Mianownik $2x^2+5x-3$ musi być różny od zera.\[ 2x^2+5x-3 \neq 0 \]Obliczamy wyróżnik ($\Delta$):\[ \Delta = 5^2 - 4 \cdot 2 \cdot (-3) \]\[ \Delta = 25 + 24 \]\[ \Delta = 49 \]Obliczamy pierwiastek z delty:\[ \sqrt{\Delta} = \sqrt{49} = 7 \]Obliczamy miejsca zerowe mianownika:\[ x_1 = \frac{-5 - 7}{2 \cdot 2} = \frac{-12}{4} = -3 \]\[ x_2 = \frac{-5 + 7}{2 \cdot 2} = \frac{2}{4} = \frac{1}{2} \]Dziedzina ułamka to:\[ D = \mathbb{R} \setminus \left\{-3, \frac{1}{2}\right\} \]
c) Określenie dziedziny ułamka:
Mianownik $x^3+6x^2+12x+8$ musi być różny od zera.\[ x^3+6x^2+12x+8 \neq 0 \]Zauważamy, że mianownik jest rozwinięciem wzoru skróconego mnożenia $(x+2)^3$.\[ (x+2)^3 \neq 0 \]\[ x+2 \neq 0 \]\[ x \neq -2 \]Dziedzina ułamka to:\[ D = \mathbb{R} \setminus \{-2\} \]
Zadanie 2 (4 pkt)
Skróć dany ułamek algebraiczny:
a) $\frac{10 - 2x}{8x^2 - 200}$
b) $\frac{x^2 + 5}{x^3 + 3x^2 + 5x + 15}$
c) $\frac{x^3 + 8}{x^3 + 3x^2 + 4x + 4}$
a) Skrócony ułamek to $\frac{-1}{4(x + 5)}$.
b) Skrócony ułamek to $\frac{1}{x + 3}$.
c) Skrócony ułamek to $\frac{x^2 - 2x + 4}{x^2 + x + 2}$.
a) Aby rozszerzyć ułamek, musimy znaleźć czynnik $K$, przez który pomnożono licznik.\[ x \cdot K = x^3 + 4x \]Obliczamy czynnik $K$:\[ K = \frac{x^3 + 4x}{x} = x^2 + 4 \]Teraz mnożymy mianownik przez ten sam czynnik $K$, aby znaleźć nowy mianownik $D$:\[ D = (x-2)(x^2+4) \]\[ D = x^3 - 2x^2 + 4x - 8 \]Konieczne założenia są takie, że pierwotny mianownik nie może być równy zero:\[ x-2 \neq 0 \implies x \neq 2 \]b) Aby rozszerzyć ułamek, musimy znaleźć czynnik $K$, przez który pomnożono licznik.\[ x \cdot K = x(x^2 + 2x - 3) \]Obliczamy czynnik $K$:\[ K = x^2 + 2x - 3 \]Faktoryzujemy czynnik $K$:\[ K = (x+3)(x-1) \]Teraz mnożymy mianownik przez ten sam czynnik $K$, aby znaleźć nowy mianownik $D$:\[ D = (x+3)K = (x+3)(x+3)(x-1) \]\[ D = (x+3)^2(x-1) = (x^2+6x+9)(x-1) \]\[ D = x^3+6x^2+9x-x^2-6x-9 \]\[ D = x^3+5x^2+3x-9 \]Konieczne założenia są takie, że pierwotny mianownik nie może być równy zero:\[ x+3 \neq 0 \implies x \neq -3 \]c) Aby rozszerzyć ułamek, musimy znaleźć czynnik $K$, przez który pomnożono licznik.\[ (3x-1) \cdot K = 6x^2 - x - 10 \]Obliczamy czynnik $K$:\[ K = \frac{6x^2 - x - 10}{3x-1} \]Teraz mnożymy mianownik przez ten sam czynnik $K$, aby znaleźć nowy mianownik $D$:\[ D = (2x+3) \cdot K = (2x+3) \frac{6x^2 - x - 10}{3x-1} \]Konieczne założenia są takie, że pierwotny mianownik oraz mianownik wyrażenia $K$ nie mogą być równe zero:\[ 2x+3 \neq 0 \implies x \neq -\frac{3}{2} \]\[ 3x-1 \neq 0 \implies x \neq \frac{1}{3} \]
Zadanie 3 (4 pkt)
Rozszerz ułamek tak, aby miał wskazany licznik (mianownik). Podaj konieczne za-łożenia.
a) $\frac{x}{x-2} = \frac{x^3 + 4x}{\text{ }} $
b) $\frac{x}{x+3} = \frac{x(x^2 + 2x - 3)}{\text{ }} $
c) $\frac{3x-1}{2x+3} = \frac{6x^2 - x - 10}{\text{ }}$
a) Rozszerzony ułamek ma mianownik równy $x^3 - 2x^2 + 4x - 8$, a założenia to $x \neq 2$.
b) Rozszerzony ułamek ma mianownik równy $x^3+5x^2+3x-9$, a założenia to $x \neq -3$.
c) Rozszerzony ułamek ma mianownik równy $(2x+3) \frac{6x^2 - x - 10}{3x-1}$, a założenia to $x \neq -\frac{3}{2}$ oraz $x \neq \frac{1}{3}$.
a) Rozłożenie licznika i mianownika na czynniki:
Licznik:
\[ 10 - 2x = 2(5 - x) = -2(x - 5) \]
Mianownik:
\[ 8x^2 - 200 = 8(x^2 - 25) = 8(x - 5)(x + 5) \]
Skracanie ułamka algebraicznego:
\[ \frac{-2(x - 5)}{8(x - 5)(x + 5)} = \frac{-1}{4(x + 5)} \]
Warunki istnienia ułamka: $x \neq 5$ i $x \neq -5$.
b) Rozłożenie mianownika na czynniki przez grupowanie wyrazów:
\[ x^3 + 3x^2 + 5x + 15 = x^2(x + 3) + 5(x + 3) = (x^2 + 5)(x + 3) \]
Skracanie ułamka algebraicznego:
\[ \frac{x^2 + 5}{(x^2 + 5)(x + 3)} = \frac{1}{x + 3} \]
Warunki istnienia ułamka: $x \neq -3$.
c) Rozłożenie licznika na czynniki, używając wzoru na sumę sześcianów:
\[ x^3 + 8 = (x + 2)(x^2 - 2x + 4) \]
Dla mianownika $x^3 + 3x^2 + 4x + 4$ szukamy pierwiastków. Sprawdzamy dla $x = -2$:
\[ (-2)^3 + 3(-2)^2 + 4(-2) + 4 = -8 + 12 - 8 + 4 = 0 \]
Zatem $(x + 2)$ jest czynnikiem mianownika. Dzielimy mianownik przez $(x + 2)$:
\[ (x^3 + 3x^2 + 4x + 4) : (x + 2) = x^2 + x + 2 \]
Więc mianownik rozkłada się jako:
\[ x^3 + 3x^2 + 4x + 4 = (x + 2)(x^2 + x + 2) \]
Skracanie ułamka algebraicznego:
\[ \frac{(x + 2)(x^2 - 2x + 4)}{(x + 2)(x^2 + x + 2)} = \frac{x^2 - 2x + 4}{x^2 + x + 2} \]
Warunki istnienia ułamka: $x \neq -2$.
Zadanie 4 (5 pkt)
Oblicz wartość danego ułamka algebraicznego dla podanej obok liczby. Wynik przedstaw w postaci $a+b\sqrt{c}$, gdzie $a, b, c \in \mathbb{Q}$.
a) $\frac{x}{x-3}$, $2\sqrt{5}+3$
b) $\frac{x+2}{x-3}$, $2-\sqrt{7}$
a) Odpowiedzią jest $1 + \frac{3}{10}\sqrt{5}$.
b) Ostateczny wynik wynosi $\frac{11}{6} - \frac{5}{6}\sqrt{7}$.
a) Obliczamy wartość dla $x = 2\sqrt{5}+3$:\[ \frac{x}{x-3} = \frac{2\sqrt{5}+3}{(2\sqrt{5}+3)-3} \]\[ = \frac{2\sqrt{5}+3}{2\sqrt{5}} \]\[ = \frac{2\sqrt{5}}{2\sqrt{5}} + \frac{3}{2\sqrt{5}} \]\[ = 1 + \frac{3\sqrt{5}}{2 \cdot 5} \]\[ = 1 + \frac{3\sqrt{5}}{10} \]\[ = 1 + \frac{3}{10}\sqrt{5} \]
b) Obliczamy wartość dla $x = 2-\sqrt{7}$:\[ \frac{x+2}{x-3} = \frac{(2-\sqrt{7})+2}{(2-\sqrt{7})-3} \]\[ = \frac{4-\sqrt{7}}{-1-\sqrt{7}} \]Mnożymy licznik i mianownik przez sprzężenie mianownika $(-1+\sqrt{7})$:\[ = \frac{(4-\sqrt{7})(-1+\sqrt{7})}{(-1-\sqrt{7})(-1+\sqrt{7})} \]\[ = \frac{4 \cdot (-1) + 4 \cdot \sqrt{7} - \sqrt{7} \cdot (-1) - \sqrt{7} \cdot \sqrt{7}}{(-1)^2 - (\sqrt{7})^2} \]\[ = \frac{-4 + 4\sqrt{7} + \sqrt{7} - 7}{1 - 7} \]\[ = \frac{-11 + 5\sqrt{7}}{-6} \]\[ = \frac{-11}{-6} + \frac{5\sqrt{7}}{-6} \]\[ = \frac{11}{6} - \frac{5}{6}\sqrt{7} \]
Zadanie 5 (4 pkt)
Wyznacz wszystkie wartości $m$, $m \in \mathbb{R}$, dla których dziedziną ułamka algebraicznego jest zbiór liczb rzeczywistych.
a) $ \frac{x^2+5}{x^2+4x+m} $
b) $ \frac{x}{x^2+7x+16m^2} $
a) Dziedziną ułamka algebraicznego jest zbiór liczb rzeczywistych, gdy $m > 4$.
b) Dziedziną ułamka algebraicznego jest zbiór liczb rzeczywistych, gdy $m < -\frac{7}{8}$ lub $m > \frac{7}{8}$.
Aby dziedziną ułamka algebraicznego był zbiór liczb rzeczywistych, mianownik nie może mieć pierwiastków rzeczywistych. Oznacza to, że jego wyróżnik ($\Delta$) musi być mniejszy od zera ($\Delta < 0$).
a) Obliczenie wartości $m$ dla ułamka $ \frac{x^2+5}{x^2+4x+m} $:
Mianownik to $x^2+4x+m$. Współczynniki to $a=1$, $b=4$, $c=m$.
Wzór na wyróżnik funkcji kwadratowej:\[ \Delta = b^2 - 4ac \]Podstawienie wartości:\[ \Delta = 4^2 - 4 \cdot 1 \cdot m \]\[ \Delta = 16 - 4m \]Ustawienie warunku $\Delta < 0$:\[ 16 - 4m < 0 \]Przeniesienie wyrazów:\[ 16 < 4m \]Podzielenie przez 4:\[ m > 4 \]
b) Obliczenie wartości $m$ dla ułamka $ \frac{x}{x^2+7x+16m^2} $:
Mianownik to $x^2+7x+16m^2$. Współczynniki to $a=1$, $b=7$, $c=16m^2$.
Wzór na wyróżnik funkcji kwadratowej:\[ \Delta = b^2 - 4ac \]Podstawienie wartości:\[ \Delta = 7^2 - 4 \cdot 1 \cdot (16m^2) \]\[ \Delta = 49 - 64m^2 \]Ustawienie warunku $\Delta < 0$:\[ 49 - 64m^2 < 0 \]Przeniesienie wyrazów:\[ 49 < 64m^2 \]Podzielenie przez 64:\[ m^2 > \frac{49}{64} \]Rozwiązanie nierówności kwadratowej:\[ m < -\sqrt{\frac{49}{64}} \quad \text{lub} \quad m > \sqrt{\frac{49}{64}} \]Ostateczne rozwiązanie:\[ m < -\frac{7}{8} \quad \text{lub} \quad m > \frac{7}{8} \]
Grupa B
Zadanie 1 (3 pkt)
Określ dziedzinę ułamka algebraicznego:
a) $\frac{x^2}{(9-x)(x+4)}$
b) $\frac{5}{3x^2+10x-8}$
c) $\frac{x-1}{x^3-3x^2+3x-1}$
a) Dziedziną ułamka jest zbiór liczb rzeczywistych z wyłączeniem $-4$ i $9$, co zapisujemy jako $x \in \mathbb{R} \setminus \{-4, 9\}$.
b) Dziedziną ułamka jest zbiór liczb rzeczywistych z wyłączeniem $-4$ i $\frac{2}{3}$, co zapisujemy jako $x \in \mathbb{R} \setminus \left\{-4, \frac{2}{3}\right\}$.
c) Dziedziną ułamka jest zbiór liczb rzeczywistych z wyłączeniem $1$, co zapisujemy jako $x \in \mathbb{R} \setminus \{1\}$.
Zadanie 2 (4 pkt)
Skróć dany ułamek algebraiczny:
a) $\frac{21 - 7x}{7x^2 - 63}$
b) $\frac{x^2 + 2}{x^3 + 5x^2 + 2x + 10}$
c) $\frac{x^3 + 27}{x^3 + 4x^2 + 5x + 6}$
a) Skrócony ułamek to $\frac{-1}{x + 3}$.
b) Skrócony ułamek to $\frac{1}{x + 5}$.
c) Skrócony ułamek to $\frac{x^2 - 3x + 9}{x^2 + x + 2}$.
Zadanie 3 (4 pkt)
Rozszerz ułamek tak, aby miał wskazany licznik (mianownik). Podaj konieczne za-łożenia.
a) $\frac{x}{x-3} = \frac{x^3 + 2x}{\text{ }} $
b) $\frac{x}{x+4} = \frac{x(x^2 + 3x - 4)}{\text{ }} $
c) $\frac{4x-1}{2x+5} = \frac{8x^2 - 6x - 5}{\text{ }}$
a) Rozszerzony ułamek ma mianownik równy $x^3 - 3x^2 + 2x - 6$, a założenia to $x \neq 3$.
b) Rozszerzony ułamek ma mianownik równy $x^3+7x^2+8x-16$, a założenia to $x \neq -4$.
c) Rozszerzony ułamek ma mianownik równy $(2x+5) \frac{8x^2 - 6x - 5}{4x-1}$, a założenia to $x \neq -\frac{5}{2}$ oraz $x \neq \frac{1}{4}$.
Zadanie 4 (5 pkt)
Oblicz wartość danego ułamka algebraicznego dla podanej obok liczby. Wynik przedstaw w postaci $a+b\sqrt{c}$, gdzie $a, b, c \in \mathbb{Q}$.
a) $\frac{x}{x-4}$, $5\sqrt{3}+4$
b) $\frac{x+3}{x-4}$, $3-\sqrt{11}$
a) Odpowiedzią jest $1 + \frac{4}{15}\sqrt{3}$.
b) Ostateczny wynik wynosi $\frac{17}{10} - \frac{7}{10}\sqrt{11}$.
Zadanie 5 (4 pkt)
Wyznacz wszystkie wartości $m$, $m \in \mathbb{R}$, dla których dziedziną ułamka algebraicznego jest zbiór liczb rzeczywistych.
a) $ \frac{x^2+5}{x^2+6x+m} $
b) $ \frac{x}{x^2+9x+25m^2} $
a) Dziedziną ułamka algebraicznego jest zbiór liczb rzeczywistych, gdy $m > 9$.
b) Dziedziną ułamka algebraicznego jest zbiór liczb rzeczywistych, gdy $m < -\frac{9}{10}$ lub $m > \frac{9}{10}$.
