Равносильность уравнений
Определение 1. Два уравнения с одной переменной
f (х) = g(х) и р(х) =h(х) называют равносильными, если множества их корней совпадают.
Иными словами, два уравнения называют равносильными, если они имеют одинаковые корни или если оба уравнения не имеют корней.
Например, уравнения х 2 - 4 = 0 и (х + 2)(2 x - 4) = 0 равносильны, оба они имеют по два корня: 2 и -2. Равносильны и уравнения х 2 +1=0и √ x =-3, поскольку оба они не имеют корней.
Определение 2. Если каждый корень уравнения
f(x) =g(х)(1)
Является в то же время корнем уравнения
р(х) =h(х), (2)
То уравнение (2) называют следствием уравнения (1).
Например, уравнение х - 2 = 3 имеет корень х = 5, а уравнение (х - 2) 2 = 9 имеет два корня: х 1 = 5, х 2 = -1. Корень уравнения х - 2 = 3 является одним из корней уравнения (х - 2) 2 = 9. Значит, уравнение (х - 2) 2 = 9 — следствие уравнения х - 2 = 3.
Достаточно очевидным является следующее утверждение.
Два уравнения равносильны тогда и только тогда, когда каждое из них является следствием другого.
.
В итоге можно сказать, что решение уравнения, как правило, осуществляется в три этапа.
Первый этап — технический. На этом этапе осуществляют преобразования по схеме (1) → (2) → (3) → (4) →... и находят корни последнего (самого простого) уравнения указанной цепочки.
Второй этап — анализ решения. На этом этапе, анализируя проведенные преобразования, отвечают на вопрос, все ли они были равносильными.
Третий этап — проверка. Если анализ, проведенный на втором этапе, показывает, что некоторые преобразования могли привести к уравнению-следствию, то обязательна проверка всех найденных корней их подстановкой в исходное уравнение.
0, a ≠1) равносильно уравнению f (x) = g (х). " width="640"
Теоремы о равносильности уравнений
- «Спокойные теоремы» гарантируют равносильность преобразований без каких-либо дополнительных условий, их использование не причиняет решающему никаких неприятностей.
Теорема 1. Е сли какой-либо член уравнения перенести из одной части уравнения в другую с противоположным знаком, то получится уравнение, равносильное данному.
Теорема 2. Если обе части уравнения возвести в одну и ту же нечетную степень, то получится уравнение, равносильное данному.
Теорема 3. Показательное уравнение а f (x) = а g (x) (где а 0, a ≠1) равносильно уравнению f (x) = g (х).
ОДЗ
Прежде чем формулировать теоремы 4—6, напомним еще об одном понятии, связанном с уравнениями.
Определение 3. Областью определения уравнения f(х) =g(х) или областью допустимых значений переменной (ОДЗ) называют множество тех значений переменной х, при которых одновременно имеют смысл выражения
f(х) и g(х).
ОДЗ
0 и a ≠1, X — решение системы неравенств f (х) О, g (х) 0 Тогда уравнение log a f (x) = log a g (x) равносильно на множестве X уравнению f (x) = g (х) " width="640"
«Беспокойные теоремы» работают лишь при определенных условиях, а значит, могут доставить некоторые неприятности при решении уравнений.
Теорема 4. Если обе части уравнения f (x) = g (х) умножить на одно и то же выражение h (х), которое:
а) имеет смысл всюду в области определения (в области допустимых значений) уравнения f (x) = g (х)
б) нигде в этой области не обращается в 0, то получится уравнение
f (x) h (x) = g (x) h (x), равносильное данному в его ОДЗ.
Следствием теоремы 4 является еще одно «спокойное» утверждение: если обе части уравнения умножить или разделить на одно и то же отличное от нуля число, то получится уравнение, равносильное данному.
Теорема 5. Если обе части уравнения f (x) = g (х) неотрицательны в ОДЗ уравнения, то после возведения обеих его частей в одну и ту же четную степень n получится уравнение (f (x)) n =(g (x)) n равносильное данному в его ОДЗ.
Теорема 6. Пусть а0 и a ≠1, X — решение системы неравенств
f (х) О,
g (х) 0 Тогда уравнение log a f (x) = log a g (x) равносильно на множестве X уравнению f (x) = g (х)
Преобразование данного уравнения в уравнение – следствие. Проверка корней.
Если в процессе решения уравнения применяем теоремы 4-6, не проверив выполнения ограничительных условий, то получим уравнение-следствие.
Например. а) х – 1 = 3; х = 4
Умножим обе части на (х – 2):
(х – 2)(х – 1) = 3(х – 2); х = 4 и х = 2 – посторонний корень ⇒ проверка!
б) ln(2x-4) =ln(3x-5)
Потенцируем 2х – 4 = 3х – 5; х = 1, но при этом значении уравнение не имеет смысла ⇒ искать ОДЗ или проверка.
(2) (3) - (4) -... и находят корни последнего (самого простого) уравнения указанной цепочки. Последовательно получаем: 100(2х + 5) = 1296 – 216х + 9х ² 9х ² - 416х + 796 = 0 х ₁ = 2; х₂ = 398/9 Второй этап — анализ решения. На этом этапе, анализируя проведенные преобразования, отвечают на вопрос, все ли они были равносильными. Третий этап — проверка. Подставим поочередно каждое из найденных значений переменной в исходное уравнение. х₂ = 398/9 - посторонний корень. Ответ: х = 2 " width="640"
Пример 1
Решить уравнение
Решение. Первый этап — технический. На этом этапе, как мы отмечали выше, осуществляют преобразования заданного уравнения по схеме (1) - (2) (3) - (4) -... и находят корни последнего (самого простого) уравнения указанной цепочки.
Последовательно получаем:
100(2х + 5) = 1296 – 216х + 9х ²
9х ² - 416х + 796 = 0
х ₁ = 2; х₂ = 398/9
Второй этап — анализ решения. На этом этапе, анализируя проведенные преобразования, отвечают на вопрос, все ли они были равносильными.
Третий этап — проверка. Подставим поочередно каждое из найденных значений переменной в исходное уравнение.
х₂ = 398/9 - посторонний корень.
Ответ: х = 2
Пример 2
Решить уравнение
ln(х + 4) + ln(2х + 3) = ln (1 - 2х).
Решение. Первый этап. Воспользуемся правилом «сумма логарифмов равна логарифму произведения». Оно позволяет заменить выражение ln(х + 4) + ln(2х + 3) выражением
ln(х + 4)(2х + 3). Тогда заданное уравнение можно переписать в виде:
ln (х + 4)(2х + 3) = ln (1 - 2х).
Потенцируя, получаем:
(х + 4)(2х + 3) = (1 - 2х); 2х 2 + 8х + Зх + 12 = 1 - 2х; 2х 2 + 13х + 11 = 0; х₁ = -1, х2= -5,5.
Второй этап. В процессе решения произошло расширение ОДЗ уравнения, значит, обязательна проверка.
Третий этап. Поскольку, кроме расширения ОДЗ уравнения, никаких других неравносильных преобразований в процессе решения уравнения не было, проверку можно выполнить по ОДЗ исходного уравнения. Она задается системой неравенств
Значение х = -1 удовлетворяет этой системе неравенств, а значение х = -5,5 не удовлетворяет уже первому неравенству, это посторонний корень.
Ответ: -1.
О потере корней
Укажем две причины потери корней при решении уравнений:
1. Деление обеих частей уравнения на одно и то же выражение h (х) (кроме тех случаев, когда точно известно, что всюду в области определения уравнения выполняется условие h (х) ≠ 0);
2. Сужение ОДЗ в процессе решения уравнения.
С первой причиной бороться нетрудно: приучайте себя переходить от уравнения f(х ) h (х) =g{х ) h {х) к уравнению h (x)(f (x) – g (x))=0 ( а не к уравнению f (x)= g (x) ). Может быть, даже есть смысл вообще запретить себе деление обеих частей уравнения на одно и то же выражение, содержащее переменную.
Со второй причиной бороться сложнее. Рассмотрим, например, уравнение lgх2 = 4 и решим его двумя способами.
Первый способ. Воспользовавшись определением логарифма, находим:
х2 = 10 4; х₁= 100, х2= -100.
Второй способ. Имеем: 2 lg х = 4; lg x = 2; х = 100.
Обратите внимание: при втором способе произошла потеря корня — «потерялся» корень х = -100. Причина в том, что вместо правильной формулы lg х2= 2 lg l х l мы воспользовались непра вильной формулой
lg х 2 = 2 lg х, сужающей область определения выражения, из нее «выпал» открытый луч (-∞; 0), где как раз и находится «потерявшийся» при втором способе решения корень уравнения.
Вывод: применяя при решении уравнения какую-либо формулу (особенно тригонометрическую), следите за тем, чтобы области допустимых значений переменной для правой и левой частей
формулы были одинаковыми.