Методика решения иррациональных уравнений и неравенств в школьном курсе математики
Анализ школьных учебников по алгебре и началам анализа. Методика изучения иррациональных уравнений и неравенств на уроках математики. Основные понятия и наиболее важные приемы преобразования уравнений. Основы и методы решения иррациональных неравенств.
| Рубрика | Педагогика |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 28.05.2008 |
| Размер файла | 793,9 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
94
Содержание
Введение
§ 1. Анализ школьных учебников по алгебре и началам анализа
1.1. «Алгебра, 8», авт. А. Г. Мордкович
1.2. «Алгебра и начала анализа, 10-11», авт. А. Н. Колмогоров, А. М. Абрамов, Ю. П. Дудницин и др..
1.3. «Алгебра и начала анализа, 10-11», авт. Ш. А. Алимов, Ю. М. Колягин, Ю. В. Сидоров и др..
1.4. «Алгебра и начала анализа, 10-11», авт. М. И. Башмаков.
1.5. «Алгебра и начала анализа, 10-11», авт. А. Г. Мордкович.
1.6. «Сборник задач по алгебре, 8-9», авт. М. Л. Галицкий, А. М. Гольдман, Л. И. Звавич.
1.7. «Алгебра и математический анализ, 11», авт. Н. Я. Виленкин, О.С. Ивашев-Мусатов, С. И. Шварцбурд.
§ 2. Методика изучения иррациональных уравнений
2.1. Теоретические основы решения уравнений
2.1.1. Основные понятия, относящиеся к уравнениям
2.1.2. Наиболее важные приемы преобразования уравнений
2.2. Методы решения иррациональных уравнений
2.2.1. Метод сведения к эквивалентной системе уравнений и неравенств
2.2.2. Метод уединения радикала
2.2.3. Метод введения новой переменной.
2.2.4. Метод сведения к эквивалентным системам рациональных уравнений
2.2.5. Умножение обеих частей уравнения на функцию.
2.2.6. Решение иррациональных уравнений с использованием свойств входящих в них функций
3. Тождественные преобразования при решении иррациональных уравнений
§ 3. Методика решения иррациональных неравенств
3.1. Теоретические основы решения иррациональных неравенств
3.2. Методы решения иррациональных неравенств
3.2.1. Метод сведения к эквивалентной системе или совокупности рациональных неравенств
3.2.2. Умножение обеих частей неравенства на функцию
3.2.3. Метод введения новой переменной
3.2.4. Решение иррациональных неравенств с использованием свойств входящих в них функций
§ 4. Опытное преподавание
Заключение
Список библиографии
Приложение А
Приложение Б
Приложение В
Введение
Материал, связанный с уравнениями и неравенствами, составляет значительную часть школьного курса математики. Одним из сложных разделов алгебры, изучаемых в школьной программе, являются иррациональные уравнения и неравенства, так как в школе им уделяют достаточно мало внимания.
Трудности при изучении данного вида уравнений и неравенств связаны со следующими их особенностями:
· в большинстве случаев отсутствие четкого алгоритма решения иррациональных уравнений и неравенств;
· при решении уравнений и неравенств данного вида приходится делать преобразования, приводящие к уравнениям (и неравенствам), не равносильным данному, вследствие чего чаще всего возникают ошибки, которые обычно связаны с потерей или приобретением посторонних корней в процессе решения.
Опыт показывает, что учащиеся в недостаточной степени овладевают умением решать иррациональные уравнения и неравенства, часто допускают ошибки при их решении. Однако задачи по теме «Иррациональные уравнения и неравенства» встречаются на вступительных экзаменах, и они довольно часто становятся «камнем преткновения».
Выше изложенное обусловило проблему исследования: обучение школьников решению иррациональных уравнений и неравенств, используя при этом основные методы решения иррациональных уравнений различных видов.
Объектом исследования является процесс обучения алгебре в 7-9 классах и алгебре и началам анализа в 10-11 классах.
Предметом исследования являются различные виды иррациональных уравнений и неравенств и методы их решения.
Целью работы является разработка методики изучения учащимися иррациональных уравнений и неравенств в школе.
Гипотеза исследования: освоение умения различать основные виды иррациональных уравнений и неравенств, умения применять необходимые приемы и методы их решения позволит учащимся решать иррациональные уравнения и неравенства на сознательной основе, выбирать наиболее рациональный способ решения, применять разные способы решения, в том числе те, которые не рассмотрены в школьных учебниках.
Для достижения поставленной цели и проверки гипотезы необходимо решить следующие задачи:
1. проанализировать действующие учебники алгебры и начала математического анализа для выявления представленной в них методики решения иррациональных уравнений и неравенств;
2. изучить стандарты образования по данной теме;
3. изучить статьи и учебно-методическую литературу по данной теме;
4. подобрать теоретический материал, связанный с равносильностью уравнений и неравенств, равносильностью преобразований, методами решения иррациональных уравнений и неравенств;
5. рассмотреть основные методы и приемы решения различных иррациональных уравнений и неравенств;
6. подобрать примеры решения иррациональных уравнений и неравенств для демонстрации излагаемой теории;
7. разработать
8. осуществить опытное преподавание.
§ 1. Анализ школьных учебников по алгебре и началам анализа
При изучении любой новой темы в основном курсе школы встает проблема изложения данной темы в школьных учебниках. Пропедевтикой изучения раздела иррациональных уравнений и неравенств в школе является введение понятие арифметического корня и, соответственно, рассмотрение его свойств.
Проанализируем в каких классах вводится данное понятие разными авторами учебников. Алимов Ш. А. в учебнике «Алгебра. 9класс» вводит понятие арифметического корня натуральной степени, а также свойства арифметического корня. Макарычев Н. Г. же разделяет понятия квадратного корня и корня -ой степени. В учебнике «Алгебра. 8 класс» классе вводится понятие арифметического квадратного корня и, соответственно, рассматриваются его свойства. В учебнике «Алгебра. 9 класс» вводятся понятия корня -ой степени, арифметического корня -ой степени и рассматриваются свойства арифметического корня -ой степени. Колмогоров А. Н. в учебнике «Алгебра. 10 класс» вводит понятия корня -ой степени, арифметического корня -ой степени и рассматривает свойства арифметического корня -ой степени перед изучением иррациональных уравнений. Мордкович А. Г. в учебнике «Алгебра. 8 класс» вводит понятие квадратного корня и его свойства. Кроме того, в этом же учебнике есть отдельный параграф, посвященный иррациональным уравнениям.
1.1. «Алгебра, 8», авт. А. Г. Мордкович [27], [28]
Данное учебное пособие состоит из двух частей: учебника и задачника.
В I части данного учебного пособия материал, посвященный иррациональным уравнениям, изложен в главе «Квадратные уравнения» в параграфе «Иррациональные уравнения». Параграф начинается с определения иррационального уравнения. Далее рассматривается решение иррационального уравнения по определению квадратного корня из чего выводится метод решения иррациональных уравнений - метод возведения в квадрат обеих частей уравнения. Затем данный метод демонстрируется на примерах решения иррациональных уравнений вида , . Найденные корни проверяются подстановкой в исходное уравнение, при этом обращено внимание на те случаи, когда могут появиться посторонние корни. Автор подчеркивает, что проверка - обязательный этап решения иррационального уравнения. Далее приводится решение уравнения вида методом введения новой переменной . Параграф завершается беседой о равносильных и неравносильных преобразованиях: дается определение равносильных уравнений, перечисляются и демонстрируются на примерах равносильные и неравносильные преобразования.
Система задач во II части данного учебного пособия достаточно разнообразна. В №№ 1011-1014 необходимо решить иррациональные уравнения вида , где - линейное, квадратное или дробно-рациональное выражение. В № 1015 чтобы решить уравнение необходимо сначала уединить радикал. В № 1016 для решения предложены уравнения вида . №№ 10017-1020 -упражнения для решения методом замены иррациональных уравнений вида , , . В №№ 1023, 1024 необходимо выяснить, равносильны ли уравнения. В №№ 1021, 1022, 1025-1027 нужно решить уравнения вида , , где выражения , могут быть как линейными так и квадратными, а в №№ 1028-1031 - уравнения вида .
№№ 1032, 1033 - упражнения повышенной трудности для решения иррациональных уравнений методом замены.
Теперь проанализируем действующие учебники по алгебре и началам математического анализа для 10-11 классов, чтобы выяснить, как в них представлены методы решения иррациональных уравнений и неравенств.
1.2. «Алгебра и начала анализа, 10-11», авт. А. Н. Колмогоров, А. М. Абрамов, Ю. П. Дудницин и др. [13].
Материал по данной теме изложен в IV главе «Показательная и логарифмическая функции», как пункт «Иррациональные уравнения» параграфа «Обобщение понятия степени». Автор рекомендует рассматривать решение иррациональных уравнений в теме «Уравнения, неравенства, системы», где систематизируются сведения об уравнениях.
В пункте «Иррациональные уравнения» дается понятие иррационального уравнения, приводится несколько примеров простейших иррациональных уравнений вида , которые решаются с помощью возведения обеих частей уравнения в квадрат. Найденные корни проверяются подстановкой в исходное уравнение, при этом обращено внимание на те случаи, когда могут появиться посторонние корни. Показано, что кроме возведения в квадрат иррациональные уравнения удобно решать, используя равносильный переход от уравнения к системе, состоящей из уравнения и неравенства. Рассмотрен пример иррационального уравнения, содержащего корень третьей степени. Для того чтобы «избавиться от радикала», обе части такого уравнения возводятся в куб.
После пункта приведены упражнения для закрепления умений решать иррациональные уравнения. В №№417-420 предложены простейшие уравнения вида , решить которые можно с помощью возведения обеих частей уравнения либо в квадрат, либо в куб, а также используя равносильные переходы. Такие задачи, по мнению авторов учебника необходимо уметь решать для получения удовлетворительной оценки. Задачи же в №№422-425 чуть сложнее. Здесь уравнения содержат корни выше третьей степени.
Иррациональным неравенствам в данном пункте внимания не уделено.
В заключительной главе учебника «Задачи на повторение» помещены практические упражнения для повторения курса. Здесь в параграфе «Уравнения, неравенства, системы уравнений и неравенств» иррациональным уравнениям и неравенствам посвящен пункт «Иррациональные уравнения и неравенства». То есть, не смотря на то, что в основной части учебника иррациональным неравенствам внимания не уделено, автор включает в задания для повторения такие неравенства.
1.3. «Алгебра и начала анализа, 10-11», авт. Ш. А. Алимов, Ю. М. Колягин, Ю. В. Сидоров и др. [1].
В данном учебнике нет материала, посвященного иррациональным уравнениям и неравенствам. Лишь в конце ученика помещены упражнения для итогового повторения курса алгебры. Здесь есть только один номер для решения простейших иррациональных уравнений (№801). Упражнений для решения иррациональных неравенств нет.
Это можно объяснить тем, что, по мнению автора, умение решать иррациональные неравенства не является обязательным для учащихся и соответствующая тема может быть предложена для изучения самостоятельно или на факультативных занятиях. [14] Поэтому в учебнике предложены задачи для внеклассной работы, где встречаются иррациональные уравнения (№№934, 947) и неравенства (№942).
1.4. «Алгебра и начала анализа, 10-11», авт. М. И. Башмаков [2].
В данном учебном пособии иррациональные уравнения и неравенства рассматриваются в заключительной VI главе «Уравнения и неравенства». Глава предназначена для систематизации и обобщения сведений об уравнениях, неравенствах и системах уравнений. В начале главы помещена вводная беседа, которая состоит из трех пунктов.
В пункте «Уравнение» вводятся такие понятия как уравнение, неизвестные, корень уравнения, подробно рассказывается, что значит решить уравнение с одним или двумя неизвестными, что означает найти корни уравнения, приведены некоторые рекомендации о форме записи ответа при решении уравнений с одним или двумя неизвестными.
В пункте «Равносильность» выясняется, когда одно уравнение является следствием другого, вводится понятие равносильных уравнений. Автор подробно останавливается на некоторых полезных преобразованиях уравнений:
1) Перенос членов из одной части уравнения в другую с противоположным знаком.
2) Переход к совокупности уравнений.
3) Переход к системе уравнений.
Все равносильные переходы представлены в виде схем и рассмотрены на примерах.
В следующем пункте «Неравенство» приведены примеры верных и неверных числовых неравенств, основные правила преобразования неравенств, при этом используются знаки следствия и равносильности. Вводятся такие понятия как ОДЗ неравенства, решение неравенства, равносильные неравенства, выясняется, когда одно неравенство является следствием другого.
§1 «Уравнения с одним неизвестным» состоит из трех пунктов: «Общие приемы», «Примеры решения уравнений» и «Приближенные методы вычисления корней». В первом пункте перечислены стандартные уравнения, которые были изучены ранее. Основным шагом в решении уравнения является преобразование уравнения к одному из стандартных. Приведены некоторые наиболее употребительные приемы, общие для всех типов уравнений:
1) Разложение на множители.
2) Введение нового неизвестного.
3) Графический метод.
Отметим, что во втором пункте на ряду со стандартными уравнениями рассматривается решения только одного простейшего иррационального уравнения с помощью равносильного перехода к системе.
В третьем пункте кратко рассказывается о таких методах приближенного вычисления корней как метод половинного деления, метод хорд и касательных.
§ 2 «Неравенства с одним неизвестным» состоит из двух пунктов: «Общие приемы» и «Примеры решения неравенств». В первом пункте демонстрируется два приема решения неравенств: разложение на множители и метод замены неизвестного.
Во втором пункте на примерах показана техника решения неравенств с помощью переходов, сохраняющих равносильность. Отметим, что на ряду со стандартными неравенствами рассматривается решение только одного простейшего иррационального неравенства.
В конце главы помещены задания для решения иррациональных уравнений №17, для решения иррациональных неравенств - №21, в котором есть задание со звездочкой, то есть относящееся к разделу «трудные задачи».
Иррациональным уравнениям и неравенствам в главе уделено недостаточно внимания: приведены решения с помощью переходов, сохраняющих равносильность одного простейшего иррационального уравнения и одного неравенства.
Цель данной главы - обобщить имеющиеся у учащихся знаний об уравнениях, неравенствах и системах уравнений, поэтому здесь подробно не рассматриваются конкретные виды уравнений, а лишь повторяются сведения об изученных видах уравнений и методах их решения. [14]
1.5. «Алгебра и начала анализа, 10-11», авт. А. Г. Мордкович [10], [11].
Данное учебное пособие состоит из двух частей: учебника и задачника.
В I части данного учебного пособия материал, касающийся иррациональных уравнений и неравенств, изучается в последней VIII главе «Уравнения и неравенства. Системы уравнений и неравенств», завершающей изучение школьного курса алгебры и начал математического анализа. Здесь уравнения и неравенства рассматриваются с самых общих позиций. Это, с одной стороны, своеобразное подведение итогов и, с другой стороны, некоторое расширение и углубление знаний.
В первых трех параграфах этой главы подведены итоги изучения в школе уравнений, неравенств. Использованы следующие термины:
Ё равносильность уравнений, равносильность неравенств;
Ё следствие уравнения, следствие неравенства;
Ё равносильное преобразование уравнения, неравенства;
Ё посторонние корни (для уравнений);
Ё проверка корней (для уравнений).
Сформулированы теоремы:
Ё о равносильности уравнений;
Ё о равносильности неравенств.
Даны ответы на четыре главных вопроса, связанных с решением уравнений:
1) как узнать, является ли переход от одного уравнения к другому равносильным преобразованием;
2) какие преобразования переводят данное уравнение в уравнение-следствие;
3) как сделать проверку, если она сопряжена со значительными трудностями в вычислениях;
4) в каких случаях при переходе от одного уравнения к другому может произойти потеря корней и как этого не допустить?
Перечислены возможные причины расширения области определения уравнения, одна из которых - освобождение в процессе решения уравнения от знаков корней четной степени; указаны причины, по которым может произойти потеря корней при решении уравнений.
Выделены четыре общих метода решения уравнений:
1) замена уравнения h(f(x))=h(g(x)) уравнением f(x)=g(x);
2) метод разложения на множители;
3) метод введения новых переменных;
4) функционально-графический метод.
Что касается иррациональных уравнений, то им в данном учебном пособии уделено достаточно большое внимание.
На примере иррационального уравнения показано как решение любого уравнения осуществляется в три этапа: технический, анализ решения, проверка.
Также на примере иррационального уравнения показано, как сделать проверку, если проверка корней с помощью их подстановки в исходное уравнение сопряжена со значительными вычислительными трудностями.
Метод замены уравнения h(f(x))=h(g(x)) уравнением f(x)=g(x) применятся при решении иррациональных уравнений для перехода от уравнения к уравнению .
Метод введения новой переменной также разобран и на примере решения иррационального уравнения.
Отдельный пункт посвящен иррациональным неравенствам. Здесь с теоретическим обоснованием рассматривается решение неравенств вида , . В первом случае иррациональное неравенство заменяется равносильной системой неравенств во втором - равносильной совокупностью систем неравенств
Система задач во II части данного учебного пособия изложена в той же последовательности, что и соответствующий материал в I части. В § 55 «Равносильность уравнений» изложены различные типы заданий на равносильность и следствие уравнений, в том числе и иррациональных. В § 56 «Общие методы решения уравнений» помещены задания для использования четырех методов, изложенных в I части данного учебного пособия, для решения уравнений. Все задачи в соответствии с ними разбиты на четыре блока, в каждом из которых встречаются иррациональные уравнения. В § 57 «Решение неравенств с одной переменной» изложены различные типы заданий на равносильность и следствие неравенств, в том числе и иррациональных.
В № 1673 нужно решить простейшие иррациональные уравнения. №№1674, 1675, 1712-1719 - упражнения выше среднего уровня для решения иррациональных уравнений, №№1790, 1791 - неравенств. № 1792 - упражнение повышенной трудности для решения иррациональных неравенств.
Много заданий, в которых требуется решить «смешанное» уравнение или неравенство, то есть логарифмическое, показательное или тригонометрическое уравнение или неравенство, в которое входят и иррациональные выражения. Среди этих заданий есть задания как базового, так и повышенного уровня.
В I части учебника много внимание уделено равносильности уравнений и неравенств, достаточно строго рассмотрены общие методы решения уравнений, с оговоркой о потере корней и приобретении посторонних. II часть учебника отличается обилием и разнообразием задач. Достаточно много задач на равносильность и следствие уравнений и неравенств.
1.6. «Сборник задач по алгебре, 8-9», авт. М. Л. Галицкий, А. М. Гольдман, Л. И. Звавич [5].
Данная книга представляет собой сборник задач по курсу алгебры, предназначенный для учащихся 8-9 классов с углубленным изучением математики.
В начале параграфа «Степень с рациональным показателем» помещен справочный материал теоретического характера, посвященный иррациональным уравнениям и неравенствам. Описаны такие пути решения иррациональных уравнений, как:
· возведение обеих частей уравнения в натуральную степень с последующей проверкой найденных корней;
· переход к равносильным системам, в которых учитывается область определения уравнения и требование того, что бы были неотрицательными обе части уравнения, возводимые в четную степень.
При решении иррациональных неравенств либо используется метод интервалов, либо с помощью равносильных преобразований заменяется данное иррациональное неравенство системой (или совокупностью систем) рациональных неравенств.
В параграфе рассмотрено три способа решения иррационального уравнения вида :
1) переход к равносильной системе;
2) введение новой переменной;
3) использование свойства монотонности функций.
Среди упражнений, помещенных в данном параграфе, есть упражнения для закрепления умений и навыков решать иррациональные уравнения и неравенства. В №№115-117 необходимо доказать, что уравнение не имеет решения, в №№118-119 - ответить на вопрос: равносильны ли уравнения. №№120-144 предлагаются для решения иррациональных уравнений, №№145-155 - для решения неравенств описанными выше способами.
1.7. «Алгебра и математический анализ, 11», авт. Н. Я. Виленкин, О.С. Ивашев-Мусатов, С. И. Шварцбурд [4].
Данное учебное пособие представляет собой продолжение книги «Алгебра и начала анализа» для 10 класса и предназначено как для общеобразовательной школы, так и классов и школ с углубленным изучением курса математики.
Иррациональные уравнения и неравенства изучаются в параграфе «Степенная функция. Иррациональные выражения, уравнения и неравенства» VIII главы «Показательная, логарифмическая и степенные функции».
Пункт «Иррациональные уравнения» начинается с определения иррационального уравнения и примеров таких уравнений. Далее сформулирована и доказана теорема о равносильных уравнениях, на которой основано решение иррациональных уравнений. Из теоремы следует, что если в ходе решения иррационального уравнения приходилось возводить обе его части в степень с четным показателем, то могут появиться посторонние корни. Поэтому, чтобы не было необходимости подставлять найденные корни в данное уравнение, сформулировано еще два утверждения о равносильном переходе от уравнений вида и к системам, состоящим из уравнения и неравенства. Далее на примерах решения иррациональных уравнений демонстрируются данные равносильные переходы. Также автор рекомендует перед возведением обеих частей уравнения в некоторую степень «уединить радикал», то есть представить уравнение в виде . Далее данный метод применяется для решения иррациональных уравнений
После данного пункта помещены упражнения для закрепления умений решать иррациональные уравнения описанными выше методами - №216. В №215 необходимо доказать, что данные иррациональные уравнения не имеют решений.
В следующем пункте «Иррациональные неравенства» сформулированы приемы решения иррациональных неравенств вида и с помощью равносильного перехода к системе неравенств в первом случае и совокупности систем неравенств - во втором. Рассматривается решение иррационального неравенства вида с помощью равносильного перехода к неравенству . Решение каждого из видов неравенств демонстрируется на примерах.
После данного пункта помещены упражнения (№217) для закрепления умения решать иррациональные неравенства с помощью равносильных переходов, описанных выше.
Все утверждения, сформулированные в данном учебном пособии, изложены со строгим обоснованием. Описан полезный метод при решении иррациональных уравнений - метод «уединения радикала». Не смотря на то, что учебник не отличается обилием упражнений, предлагаемые задания разнообразны, различной степени сложности
Проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы:
1) В учебнике [1] материала по методам решения иррациональных уравнений нет. В учебниках [13] и [4] материала по теории способов решения иррациональных уравнений достаточно. В большом объеме теория по общим методам решения рассмотрена учебнике [2] и [10].
2) В каждом учебнике рассмотрены два основных способа решения: возведение обеих частей уравнения в степень, с последующей подстановкой полученных корней в исходное уравнение, а также решение уравнений с помощью равносильных переходов к системе, состоящей из уравнения и неравенства. В учебниках [2] и [10] рассмотрены такие общие методы решения уравнений как метод разложения на множители, метод введения новых переменных, функционально-графический метод; некоторые из них продемонстрированы на примерах решения иррационального уравнения.
3) В учебниках [1] и [13] не рассмотрено решение иррациональных неравенств. В учебнике [2] материала по решению иррациональных неравенств не достаточно. В учебниках [4] и [10] подробно и с теоретическим обоснованием рассмотрено решение иррациональных неравенств вида , с помощью равносильного перехода к системе (или совокупности систем). Только в учебнике [4] рассматривается решение иррационального неравенства вида .
4) Наиболее большой объем упражнений для решения иррациональных уравнений и неравенств представлен в учебниках [11] и [5]. В учебнике [4] упражнений немного, но они разнообразны.
§ 2. Методика изучения иррациональных уравнений
2.1. Теоретические основы решения уравнений
2.1.1. Основные понятия, относящиеся к уравнениям
Равенство вида
, (1)
где и - некоторые функции, называют уравнением с одним неизвестным x (с одной переменной x). Это равенство может оказаться верным при одних значениях x и неверным при других значениях x.
Число a называется корнем (или решением) уравнения (1), если обе части уравнения (1) определены при и равенство является верным. Следовательно, каждый корень уравнения (1) принадлежит множеству, которое является пересечением (общей частью) областей определения функций и и называется областью допустимых значений (ОДЗ) уравнения (1).
Решить уравнение - значит найти все его корни или доказать, что корней нет.
Если в условиях задачи не указано, на каком множестве нужно решить уравнение, то решение следует искать в ОДЗ этого уравнения.
В процессе решения часто приходится преобразовывать уравнение, заменяя его более простым (с точки зрения нахождения корней). Есть одно правило, которое не следует забывать при преобразовании уравнений: нельзя выполнять преобразования, которые могут привести к потере корней.
Назовем преобразование уравнения (1) допустимым, если при этом преобразовании не происходит потери корней, то есть получается уравнение
, (2)
которое либо имеет те же корни, что и уравнение (1), либо, кроме всех корней уравнения (1), имеет хотя бы один корень, не являющийся корнем уравнения (1), посторонний для уравнения (1) корень. В связи с этим используют следующие понятия.
Уравнение (2) называется следствием уравнения (1), если каждый корень уравнения (1) является корнем уравнения (2).
Уравнения (1) и (2) называются равносильными (эквивалентными), если каждое из этих уравнений является следствием другого. Иными словами, уравнения (1) и (2) равносильны, если каждый корень уравнения (1) является корнем уравнения (2) и наоборот, каждый корень уравнения (2) является корнем уравнения (1). Уравнения, не имеющие корней, считаются равносильными.
Если уравнения (1) и (2) равносильны, то пишут
или (1)(2),
а если уравнение (2) является следствием уравнения (1), то пишут
или (1)(2).
Отметим, что если исходное уравнение с помощью допустимых преобразований заменено другим, причем в процессе преобразования хотя бы один раз уравнение заменялось неравносильным ему следствием, то проверка найденных корней путем подстановки в исходное уравнение является обязательной.
Если же при каждом преобразовании уравнение заменялось равносильным, то проверка не нужна (не следует путать проверку с контролем вычислений).
Рассмотрим еще одно понятие, связанное с решением уравнений. Будем говорить, что уравнение (1) равносильно совокупности уравнений
, (3)
если выполнены следующие условия:
1) каждый корень уравнения (1) является корнем, по крайней мере, одного из уравнений (3);
2) любой корень каждого из уравнений (3) является корнем уравнения (1).
Если указанные условия выполнены, то множество корней уравнения (1) является объединением множеств корней уравнений (3).
Если уравнение записано в виде
, (4)
то каждое решение этого уравнения является решением, по крайней мере, одного из уравнений
(5)
Однако нельзя утверждать, что любой корень каждого из уравнений (5) есть корень уравнения (4).
Например, если , то - корень уравнения , но число 3 не является корнем уравнения (4), так как функция не определена при .
Таким образом, в общем случае нельзя утверждать, что уравнение (4) равносильно совокупности уравнений (5). Чтобы решить уравнение (4), достаточно найти корни уравнений и , а затем отбросить те, которые не входят в ОДЗ уравнения (4), то есть не принадлежат множеству, на котором определены функции и . В ОДЗ уравнения (4) это уравнение равносильно совокупности уравнений (5). Справедливо более общее утверждение: если функция определена при всех x таких, что , а функция определена при всех x таких, что , то уравнение (4) равносильно совокупности уравнений (5). [18]
2.1.2. Наиболее важные приемы преобразования уравнений
Все преобразования уравнений можно разделить на два типа: [15]
1) Равносильные, то есть преобразования, после применения любых из которых получится уравнение, равносильное исходному.
2) Неравносильные, то есть преобразования, после применения которых может произойти потеря или приобретение посторонних корней.
Рассмотрим некоторые виды преобразований уравнений и проанализируем, к каким типам они относятся.
1. Перенос членов уравнения из одной части в другую, то есть переход от уравнения
(1)
к уравнению
. (2)
Указанное преобразование приводит к равносильному уравнению, то есть (1)(2).
В частности, . Заметим, что здесь речь идет только о переносе членов уравнения из одной его части в другую без последующего приведения подобных членов (если таковые имеются). [18]
2. Приведение подобных членов, то есть переход от уравнения
(3)
к уравнению
. (4)
Справедливо следующее утверждение: для любых функций ,, уравнение (4) является следствием уравнения (3), то есть (3)(4).
Переход от уравнения (3) к уравнению (4) является допустимым преобразованием, при котором потеря корней невозможна, но могут появиться посторонние корни.
Таким образом, при приведении подобных членов, а также при отбрасывании одинаковых слагаемых в левой и правой частях уравнения получается уравнение, являющееся следствием исходного уравнения. [18]
Например, если в уравнении
вычеркнуть в левой и правой его частях слагаемое , то получится уравнение
,
являющееся следствием исходного: второе уравнение имеет корни , , а первое - единственный корень .
Отметим еще, что если ОДЗ уравнения (4) содержится в области определения функции , то уравнения (3) и (4) равносильны.
3. Умножение обеих частей уравнения на одну и ту же функцию, то есть переход от уравнения (4) к уравнению
. (5)
Справедливы следующие утверждения:
1) если ОДЗ уравнения (4), то есть пересечение областей определения функций и , содержится в области определения функции , то уравнение (5) является следствием уравнения (4);
2) если функция определена и отлична от нуля в ОДЗ уравнения (4), то уравнения (4) и (5) равносильны. [18]
Заметим, что в общем случае переход от уравнения (5) к уравнению (4) недопустим, так как это может привести к потере корней.
При решении уравнений вида (5) обычно заменяют его равносильным уравнением
,
затем находят все корни уравнений
и
и, наконец, проверяют, какие из этих корней удовлетворяют уравнению (5).
4. Возведение обеих частей уравнения в натуральную степень, то есть переход от уравнения
(6)
к уравнению
. (7)
Справедливы следующие утверждения:
1) при любом уравнение (7) является следствием уравнения (6);
2) если (n - нечетное число), то уравнения (6) и (7) равносильны;
3) если (n - четное число), то уравнение (7) равносильно уравнению
, (8)
а уравнение (8) равносильно совокупности уравнений
. (9)
В частности, уравнение
(10)
равносильно совокупности уравнений (9). [18]
Следовательно, исходя из утверждений 1 и 2, возведение обеих частей уравнения в нечетную степень и извлечение из обеих частей уравнения корня нечетной степени является равносильным преобразованием.
Исходя из утверждения 1 и 3, возведение обеих частей уравнения в четную степень и извлечение из обеих частей уравнения корня четной степени является неравносильным преобразованием, при этом получается уравнение, являющееся следствием исходного.
5. Применение формулы при является равносильным преобразованием, при - неравносильным. [15], [18]
Преобразования уравнений, рассмотренные в пунктах 3, 4 и 5 будут продемонстрированы на примерах ниже.
2.2. Методы решения иррациональных уравнений
В работе будем придерживаться следующего определения иррационального уравнения:
Иррациональным уравнением называется уравнение, содержащее неизвестное под знаком корня.
Прежде чем приступить к решению сложных уравнений учащиеся должны научиться решать простейшие иррациональные уравнения. К простейшим иррациональным уравнениям относятся уравнения вида: .
Основная идея решения иррационального уравнения состоит в сведении его к рациональному алгебраическому уравнению, которое либо равносильно исходному иррациональному уравнению, либо является его следствием.
Главный способ избавиться от корня и получить рациональное уравнение - возведение обеих частей уравнения в одну и ту же степень, которую имеет корень, содержащий неизвестное, и последующее «освобождение» от радикалов по формуле . [6]
Если обе части иррационального уравнения возвести в одну и ту же нечетную степень и освободиться от радикалов, то получится уравнение, равносильное исходному. [6]
При возведении уравнения в четную степень получается уравнение, являющееся следствием исходного. Поэтому возможно появление посторонних решений уравнения, но не возможна потеря корней. Причина приобретения корней состоит в том, что при возведении в четную степень чисел, равных по абсолютной величине, но разных по знаку, получается один и тот же результат.
Так как могут появиться посторонние корни, то необходимо делать проверку, подставляя найденные значения неизвестной только в первоначальное уравнение, а не в какие-то промежуточные.
Рассмотрим применение данного метода для решения иррациональных уравнений вида . [7]
Пример 1. Решить уравнение .
Решение. Возведем обе части этого уравнения в квадрат и получим , откуда следует, что или .
Проверка. : . Это неверное числовое равенство, значит, число не является корнем данного уравнения.
: . Это верное числовое равенство, значит, число является корнем данного уравнения.
Ответ. .
Пример 2. Решить уравнение .
Решение. После возведения в квадрат получаем уравнение , откуда следует что или .
Проверка. : . Это верное числовое равенство, значит, число является корнем данного уравнения.
: . Это неверное числовое равенство, значит, число не является корнем данного уравнения.
Ответ. .
2.2.1. Метод сведения к эквивалентной системе уравнений и неравенств
Проверка, осуществляемая подстановкой найденного решения в исходное уравнение, может быть легко реализована, если проверяемые корни - «хорошие» числа, а для «громоздких» корней проверка может быть сопряжена со значительными вычислительными трудностями. Поэтому каждый образованный школьник должен уметь решать иррациональные уравнения с помощью равносильных преобразований, так как, выполняя равносильные преобразования, можно не опасаться ни потери корней, ни приобретения посторонних решений. [17]
Аккуратное возведение в четную степень уравнения вида состоит в переходе к равносильной ему системе:
Неравенство в этой системе выражает условие, при котором уравнение можно возводить в четную степень, отсекает посторонние решения и позволяет обходиться без проверки. [17]
Школьники довольно часто добавляют к этой системе неравенство . Однако этого делать не нужно и даже опасно, поскольку условие автоматически выполняется для корней уравнения , в правой части которого стоит неотрицательное выражение. [9]
Пример 3. Решить уравнение .
Решение. Это уравнение равносильно системе
Решая первое уравнение этой системы, равносильное уравнению , получим корни и .
Второй корень не удовлетворяет неравенству системы и, следовательно, является посторонним корнем исходного уравнения.
Ответ. .
Полезно запомнить схему решения еще одного вида иррациональных уравнений . Такое уравнение равносильно каждой из двух систем
Поскольку после возведения в четную степень получаем уравнение-следствие . Мы должны, решив его, выяснить, принадлежат ли найденные корни ОДЗ исходного уравнения, то есть выполняется ли неравенство (или ). На практике из этих систем выбирают для решения ту, в которой неравенство проще. [9]
Пример 4. Решить уравнение .
Решение. Это уравнение равносильно системе
Решая первое уравнение этой системы, равносильное уравнению , получим корни и . Однако при этих значениях x не выполняется неравенство , и потому данное уравнение не имеет корней.
Ответ. Корней нет.
2.2.2. Метод уединения радикала
При решении иррациональных уравнений полезно перед возведением обеих частей уравнения в некоторую степень «уединить радикал», то есть представить уравнение в виде . Тогда после возведения обеих частей уравнения в n-ую степень радикал справа исчезнет. [4]
Пример 5. Решить уравнение
Решение. Метод уединения радикала приводит к уравнению . Это уравнение равносильно системе
Решая первое уравнение этой системы, получим корни и , но условие выполняется только для .
Ответ. .
Пример 6. Решить уравнение .
Решение. Уединив первый радикал, получаем уравнение
,
равносильное исходному.
Возводя обе части этого уравнения в квадрат, получаем уравнение
,
.
Последнее уравнение является следствием исходного уравнения. Возводя обе части этого уравнения в квадрат, приходим к уравнению
,.
Это уравнение является следствием уравнения исходного уравнения и имеет корни , . Первый корень удовлетворяет исходному уравнению, а второй - не удовлетворяет.
Ответ. .
2.2.3. Метод введения новой переменной.
Мощным средством решения иррациональных уравнений является метод введения новой переменной, или «метод замены». Метод обычно применяется в случае, если в уравнении неоднократно встречается некоторое выражение, зависящее от неизвестной величины. Тогда имеет смысл обозначить это выражение какой-нибудь новой буквой и попытаться решить уравнение сначала относительно введенной неизвестной, а потом уже найти исходную неизвестную. В ряде случаев удачно введенные новые неизвестные иногда позволяют получить решение быстрее и проще; иногда же без замены решить задачу вообще невозможно. [6], [17]
Пример 7. Решить уравнение .
Решение. Положив , получим существенно более простое иррациональное уравнение . Возведем обе части уравнения в квадрат: .
Далее последовательно получаем:
;
;
;
;
, .
Проверка найденных значений их подстановкой в уравнение показывает, что - корень уравнения, а - посторонний корень.
Возвращаясь к исходной переменной x, получаем уравнение , то есть квадратное уравнение , решив которое находим два корня: ,. Оба корня, как показывает проверка, удовлетворяют исходному уравнению.
Ответ: , .
Замена особенно полезна, если в результате достигается новое качество, например, иррациональное уравнение превращается в квадратное.
Пример 8. Решить уравнение .
Решение. Перепишем уравнение так: .
Видно, что если ввести новую переменную , то уравнение примет вид , откуда , .
Теперь задача сводится к решению уравнения и уравнения . Первое из этих решений не имеет, а из второго получаем , . Оба корня, как показывает проверка, удовлетворяют исходному уравнению.
Ответ. , .
Отметим, что «бездумное» применение в Примере 8 метода «уединения радикала» и возведение в квадрат привело бы к уравнению четвертой степени, решение которого представляет собой в общем случае чрезвычайно сложную задачу.
Пример 9. Решить уравнение .
Введем новую переменную
, .
В результате исходное иррациональное уравнение принимает вид квадратного
,
откуда учитывая ограничение , получаем . Решая уравнение , получаем корень . Как показывает проверка, удовлетворяет исходному уравнению.
Ответ. .
Иногда посредством некоторой подстановки удается привести иррациональное уравнение к рациональному виду, как рассмотренных Примерах 8, 9. В таком случае говорят, что эта подстановка рационализирует рассматриваемое иррациональное уравнение, и называют ее рационализирующей., основанный на применении рационализирующих подстановок, называется способом рационализации.
Со всеми учащимися на уроке этот способ решения иррациональных уравнений разбирать не нужно, но он может быть рассмотрен в рамках факультативных или кружковых занятий по математике с учащимися, проявляющих повышенный интерес к математике.
2.2.4. Метод сведения к эквивалентным системам рациональных уравнений
Уравнения вида (здесь a, b, c, d - некоторые числа, m, n - натуральные числа) и ряд других уравнений часто удается решить при помощи введения двух вспомогательных неизвестных: и , где и последующего перехода к эквивалентной системе рациональных уравнений. [17]
Пример 16. Решить уравнение .
Решение. Введем новые переменные
и , где .
Тогда исходное уравнение принимает вид: . Полученное уравнение обладает одним существенным недостатком: в нем две неизвестных. Но заметим, что величины y и z не являются независимыми переменными - они зависят одна от другой посредством старой переменной x. Выразим x через y и z: и . Теперь, можно заметить, что если первое уравнение умножить на два и затем вычесть из него второе, то переменная x исключается, и остается связь только между y и z
.
В результате получаем систему двух уравнений относительно двух неизвестных y и z
Решая эту систему методом подстановки, приходим к уравнению , корнями которого являются числа и . Корень посторонний, поскольку . Осталось решить уравнение , откуда находим .
Ответ. .
Пример 17. Решить уравнение . [6]
Решение. Возведение обеих частей этого уравнения в четвертую степень не обещает ничего хорошего. Если же положить , , то исходное уравнение переписывается так: . Поскольку мы ввели две новые неизвестные, надо найти еще одно уравнение, связывающее y и z. Для этого возведем равенства , в четвертую степень и заметим, что .
Итак, надо решить систему уравнений
она имеет два (действительных) решения: , ; , .
Остается решить систему двух уравнений с одним неизвестным
и систему
первая из них дает , вторая дает .
Ответ: , .
Не всегда после введения новых переменных удается исключить неизвестную x, как это было в рассмотренных Примерах 15, 16. Однако, как можно убедиться из следующего примера, переход от уравнения к системе может помочь и в таком случае. [17]
Пример 18. Решить уравнение .
Решение. Введем новые переменные
и , где .
По стандартной схеме получим следующую систему уравнений:
откуда следует, что
.
Так как , то y и z должны удовлетворять системе
Возведем оба уравнения этой системы в квадрат, после чего, сложив их, получаем уравнение .
Также возведем равенства , в квадрат и заметим, что .
Получаем следующую систему уравнений:
из которой получаем уравнение .
Заметим, что это уравнение имеет корень . Тогда, разделив многочлен на , получаем разложение левой части уравнения на множители
.
Отсюда следует, что - единственное решение этого уравнения. После проверки записываем это решение в ответ.
Ответ: .
2.2.5. Умножение обеих частей уравнения на функцию.
Иногда иррациональное уравнение удается решить довольно быстро, если обе его части умножить на удачно подобранную функцию. Конечно, при умножении обеих частей уравнения на некоторую функцию могут появиться посторонние решения, ими могут оказаться нули самой этой функции. Поэтому предлагаемый метод требует обязательного исследования получающихся значений. [6]
Пример 19. Решить уравнение .
Решение. Умножим обе части уравнения на одну и ту же функцию . Выражение называется сопряженным для выражения . Цель такого умножения ясна: использовать тот факт, что произведение двух сопряженных выражений уже не содержит радикалов.
В результате этого умножения и очевидных преобразований приходим к уравнению
,
которое равносильно совокупности уравнений
Уединив первый радикал второго уравнения совокупности, возведем его в квадрат и получим
Если внимательно посмотреть на неравенства последней системы, можно заметить, что пересечение множеств и пусто. Следовательно, уравнение решений не имеет. Значит, уравнение имеет единственный корень .
Подстановка в исходное уравнение показывает, что - корень.
Ответ: .
Впрочем, здесь можно было обойтись и без подстановки: функция нигде в нуль не обращается, и поэтому умножение обеих частей уравнения на эту функцию не приводит к появлению посторонних решений.
Пример 20. Решить уравнение . [9]
Решение. Умножим обе части уравнения на функцию . После преобразований получим уравнение
.
Оно имеет два корня: . Проверка показывает, что - посторонний корень (нетрудно видеть, - корень функции ). Таким образом, уравнение имеет единственный корень .
Ответ: .
2.2.6. Решение иррациональных уравнений с использованием свойств входящих в них функций
В школьном курсе математики изучаются свойства многих элементарных функций. Их иногда с успехом можно применять и при решении иррациональных уравнений. Рассмотрим несколько примеров.
1. Использование монотонности функции.
Если уравнение имеет вид
где возрастает (убывает), или
где и «встречно монотонны», т.е. возрастает, а убывает и наоборот, то такое уравнение имеет не более одного корня. Если удается заметить это или привести уравнение к такому виду и при этом нетрудно угадать корень, то он и будет решением данного уравнения. [9]
Пример 21. .
Решение. Это уравнение можно попытаться решить возведением в квадрат (трижды!). Однако при этом получится уравнение четвертой степени. Попробуем угадать корень. Это сделать нетрудно: . Теперь заметим, что левая часть уравнения - возрастающая функция, а правая - убывающая. Но это значит, что больше одного корня такое уравнение иметь не может. Итак, - единственный корень.
Ответ: .
Пример 22. Решить уравнение .
Решение. Традиционный метод решения уравнений такого вида хорошо известен. Впрочем, легко заметить, что - корень. Левая часть уравнения задает возрастающую функцию, правая - константу. Следовательно, данное уравнение может иметь не более одного корня. Итак, - единственный корень.
Ответ: .
Пример 23. Решить уравнение .
Решение. Опять-таки имеем стандартное иррациональное уравнение. Тем не менее, не будем спешить возводить в квадрат. Так, , , значит (функция возрастающая), и левая часть исходного уравнения не меньше 2. Следовательно, данное уравнение корней не имеет.
Ответ. Корней нет.
Пример 24. Решить уравнение .
Решение. Поскольку и функция возрастающая, то . Следовательно, левая часть данного неравенства области определения принимает только отрицательные значения, то есть исходное уравнение корней не имеет.
Ответ: Корней нет.
Пример 25. Решить уравнение .
Решение. Как и в предыдущих примерах, несложно обнаружить, что - корень. ОДЗ исходного уравнения - промежуток . Но теперь уже, в отличие от ранее рассмотренных задач, левая часть уравнения не задает монотонную функцию. Однако снова легко заметить, что на указанная функция возрастает, причем корень принадлежит этому промежутку. Значит, на данное уравнение имеет единственный корень. Осталось исследовать поведение функции на отрезке . Очевидно, что при , а . Следовательно, на исходное уравнение корней не имеет.
Ответ. .
2. Использование ОДЗ
Иногда знание ОДЗ позволяет доказать, что уравнение не имеет решений, а иногда позволяет найти решения уравнения непосредственной подстановкой чисел из ОДЗ.
Пример 26. Решить уравнение .
Решение. ОДЗ этого уравнения состоит из всех , одновременно удовлетворяющих условиям и , то есть ОДЗ есть пустое множество. Этим решение уравнения завершается, так как установлено, что ни одно число не может являться решением, то есть уравнение не имеет корней.
Подобные документы
Приемы преобразования уравнений. Методика решения иррациональных уравнений. Тождественные преобразования при решении иррациональных уравнений. Применение общих методов для решения иррациональных уравнений. Методика решения иррациональных неравенств.
курсовая работа [338,3 K], добавлен 12.06.2010Методика обучения понятию неравенства и решению неравенств в начальной школе. Содержание и роль линии уравнений и неравенств в школьном курсе математики. Классификация преобразований неравенств и их систем. Общая последовательность изучения материала.
курсовая работа [320,8 K], добавлен 08.04.2009Особенности типов уравнений и неравенств с параметрами, которые встречаются в школьной программе. Роль параметра в школьном курсе математики. Характеристика основных методов решения уравнений, неравенств с параметрами. Содержание курсов по выбору в школе.
дипломная работа [1,3 M], добавлен 14.01.2018Составление методической схемы преподавания нового материала в средней школе: ознакомление с понятиями степени, решениями иррациональных уравнений, показательной и производной степенной функций, тождественных преобразований логарифмических неравенств.
реферат [75,1 K], добавлен 07.03.2010Рассмотрение методики введения в школьный курс математики понятий синуса, косинуса, тангенса, основных тригонометрических тождеств (на геометрическом и алгебраическом материалах), функций, преобразований, способов решения уравнений и неравенств.
реферат [459,8 K], добавлен 07.03.2010Разработка занятий элективного курса. Использование свойств функций при решении уравнений и неравенств. Разработка элективного курса "Решение уравнений и неравенств с использованием свойств функций". Методические основы разработки элективного курса.
дипломная работа [294,8 K], добавлен 24.06.2009Понятие квадратного трехчлена и квадратичной функции, их место в школьном курсе алгебры. Определение порядка раскрытия темы по решению квадратных уравнений и неравенств на уроках математики. Разработка методики по изучению квадратного трехчлена в школе.
дипломная работа [1,6 M], добавлен 18.07.2013Цель изучения уравнений в курсе математики в коррекционно-развивающих классах, методика обучения их решению на основании свойств равенств. Виды уравнений, решаемых в начальном классе, их связь с изученным материалом. Образцы записи и проверки решения.
курсовая работа [91,8 K], добавлен 23.05.2014Классификация и функции задач в обучении. Методические особенности решения нестандартных задач. Особенности решения текстовых задач и задач с параметрами. Методика решения уравнений и неравенств. Педагогический эксперимент и анализ результатов.
дипломная работа [387,1 K], добавлен 24.02.2010Методические рекомендации по изучению уравнений и неравенств с параметром в курсе математики средней школы. Начало изучения задач с параметрами. Задания с параметром в ЕГЭ и математических олимпиадах. Подготовка к олимпиадным заданиям с параметром.
курсовая работа [48,5 K], добавлен 15.06.2019
