Виды уравнений и способы их решения

Уравнение – это математическое выражение, являющееся равенством, содержащее неизвестное. Если равенство справедливо для любых допустимых значений входящих в него неизвестных, то оно называется тождеством; например: соотношение вида (x – 1)2 = (x – 1)(x – 1) выполняется при всех значениях x.

Если уравнение, содержащее неизвестное x, выполняется только при определенных, а не при всех значениях x, как в случае тождества, то может оказаться полезным определить те значения x, при которых это уравнение справедливо. Такие значения x называются корнями или решениями уравнения. Например, число 5 является корнем уравнения 2x + 7= 17.

В разделе математики, который называется теорией уравнений, основным предметом изучения являются методы решения уравнений. В школьном курсе алгебры уравнениям уделяется большое внимание.

История изучения уравнений насчитывает много веков. Самыми известными математиками, внесшими вклад в развитие теории уравнений, были:

Архимед (около 287–212 до н. э. ) - древнегреческий ученый, математик и механик. При исследовании одной задачи, сводящейся к кубическому уравнению, Архимед выяснил роль характеристики, которая позже получила название дискриминанта.

Франсуа Виет жил в XVI в. Он внес большой вклад в изучение различных проблем математики. В частности, он ввел буквенные обозначения коэффициентов уравнения и установил связь между корнями квадратного уравнения.

Леонард Эйлер (1707 – 1783) - математик, механик, физик и астроном. Автор св. 800 работ по математическаму анализу, дифференциальных уравнений, геометрии, теории чисел, приближённым вычислениям, небесной механике, математике, оптике, баллистике, кораблестроению, теории музыки, и т. д. Оказал значительное влияниена развитие науки. Вывел формулы (Формулы Эйлера), выражающие тригонометрические функции переменного х через показательную функцию.

Лагранж Жозеф Луи (1736 — 1813 гг. ), французский математик и механик. Ему принадлежат выдающиеся исследования, среди них исследования по алгебре (симметрической функции корней уравнения, по дифференциальным уравнениям (теория особых решений, метод вариации постоянных).

Ж. Лагранж и А. Вандермонд - французские математики. В 1771 г. впервые применили способ решения систем уравнений (способ подстановки).

Гаусс Карл Фридрих (1777 —1855 гг. ) - немецкий математик. Написал книгу, в которой излагается теория уравнений деления круга (т. е. уравнений xn — 1 = 0), которая во многом была прообразом Галуа теории. Помимо общих методов решения этих уравнений, установил связь между ними и построением правильных многоугольников. Он, впервые после древнегреческих учёных, сделал значительный шаг вперёд в этом вопросе, а именно: нашёл все те значения n, для которых правильный n-угольник можно построить циркулем и линейкой. Изучал способ сложения. Сделал вывод, что системы уравнений можно между собой складывать, делить, и умножать.

О. И. Сомов – обогатил разные части математики важными и многочисленными трудами, среди них теория определённых алгебраических уравнений высших степеней.

Галуа Эварист (1811—1832 гг. ), - французский математик. Основной его заслугой является формулировка комплекса идей, к которым он пришёл в связи с продолжением исследований о разрешимости алгебраических уравнений, начатых Ж. Лагранжем, Н. Абелем и др. , создал теорию алгебраических уравнений высших степеней с одним неизвестным.

А. В. Погорелов (1919 – 1981 гг. ) - В его творчестве связаны геометрические методы с аналитическими методами теории дифференциальных уравнений с частными производными. Его труды оказали существенное влияние также на теорию нелинейных дифференциальных уравнений.

П. Руффини - итальянский математик. Посвятил ряд работ, доказательству неразрешимости уравнения 5-й степени, систематически использует замкнутость множества подстановок.

Не смотря на то, что ученые давно изучают уравнения, науке не известно, как и когда у людей возникла необходимость использовать уравнения. Известно только, что задачи, приводящие к решению простейших уравнений, люди решали с того времени, как стали людьми. Еще 3 - 4 тысячи лет до н. э. египтяне и вавилоняне умели решать уравнения. Правило решения этих уравнений, совпадает с современным, но неизвестно, как они до этого дошли.

В Древнем Египте и Вавилоне использовался метод ложного положения. Уравнение первой степени с одним неизвестным можно привести всегда к виду ах + Ь = с, в котором а, Ь, с целые числа. По правилам арифметических действий ах = с - b,

Если Ь > с, то с b число отрицательное. Отрицательные числа были египтянам и многим другим более поздним народам неизвестны (равноправно с положительными числами их стали употреблять в математике только в семнадцатом веке). Для решения задач, которые мы теперь решаем уравнениями первой степени, был изобретен метод ложного положения. В папирусе Ахмеса 15 задач решается этим методом. Египтяне имели особый знак для обозначения неизвестного числа, который до недавнего прошлого читали «хау» и переводили словом «куча» («куча» или «неизвестное количество» единиц). Теперь читают немного менее неточно: «ага». Способ решения, примененный Ахмесом, называется методом одного ложного положения. При помощи этого метода решаются уравнения вида ах = b. Этот способ заключается в том, что каждую часть уравнения делят на а. Его применяли как египтяне, так и вавилоняне. У разных народов применялся метод двух ложных положений. Арабами этот метод был механизирован и получен ту форму, в которой он перешел в учебники европейских народов, в том числе в «Арифметику» Магницкого. Магницкий называет способ решения «фальшивым правилом» и пишет в части своей книги, излагающей этот метод:

Зело бо хитра есть сия часть, Яко можеши ею все класть. Не токмо что есть во гражданстве, Но и высших наук в пространстве, Яже числятся в сфере неба, Якоже мудрым есть потреба.

Содержание стихов Магницкого можно вкратце передать так: эта часть арифметики весьма хитрая. При помощи ее можно вычислить не только то, что понадобится в житейской практике, но она решает и вопросы «высшие», которые встают перед «мудрыми». Магницкий пользуется «фальшивым правилом» в форме, какую ему придали арабы, называя его «арифметикой двух ошибок» или «методой весов». Индийские математики часто давали задачи в стихах. Задача о лотосе:

Над озером тихим, с полмеры над водой, Был виден лотоса цвет. Он рос одиноко, и ветер волной Нагнул его в сторону, и уж нет

Цветка над водой. Нашёл его глаз рыбака В двух мерах от места, где рос. Сколько озера здесь вода глубока? Тебе предложу я вопрос.

Виды уравнений

Линейные уравнения

Линейные уравнения – это уравнения вида: ах + b = 0, где a и b – некоторые постоянные. Если а не равно нулю, то уравнение имеет один единственный корень: х = - b : а ( ах + b; ах = - b; х = - b : а. ).

Например: решить линейное уравнение: 4х + 12 = 0.

Решение: Т. к а = 4, а b = 12, то х = - 12 : 4; х = - 3.

Проверка: 4 ( - 3) + 12 = 0; 0 = 0.

Т. к 0 = 0, то -3 является корнем исходного уравнения.

Ответ. х = -3

Если а равно нулю, и b равно нулю, то корнем уравнения ах + b = 0 является любое число.

Например:

0х + 0 = 0;

0 = 0. Т. к 0 равно 0, то корнем уравнения 0х + 0 = 0 является любое число.

Если а равно нулю, а b не равно нулю, то уравнение ах + b = 0 не имеет корней.

Например:

0х – 6 = 0;

0 = 6. Т. к 0 не равно 6, то 0х – 6 = 0 не имеет корней.

Системы линейных уравнений.

Система линейных уравнений – это система, все уравнения которой линейные.

Решить систему - значит найти все ее решения.

Прежде чем решать систему линейных уравнений, можно определить число её решений.

Пусть дана система уравнений: {а1х + b1y = с1, {а2х + b2y = c2.

Если а1 делённое на а2 не равно b1 делённое на b2, то система имеет одно единственное решение.

Если а1 делённое на а2 равно b1 делённое на b2, но равно с1 делённое на с2, то система не имеет решений.

Если а1 делённое на а2 равно b1 делённое на b2, и равно с1 делённое на с2, то система имеет бесконечно много решений.

Система уравнений, имеющая, по крайней мере, одно решение, называется совместной.

Совместная система называется определенной, если она имеет конечное число решений, и неопределенной, если множество ее решений бесконечно.

Система, не имеющая ни одного решения, называется несовместной или противоречивой.

Способы решения линейных уравнений

Всего есть несколько способов решения линейных уравнений:

1) Метод подбора. Это самый простейший способ. Он заключается в том, что подбирают все допустимые значения неизвестного путём перечисления.

Например:

Решить уравнение.

2х + 2 = 6.

Решение.

Пусть х = 1. Тогда

2 · 1 + 2 = 6;

4 = 6. Т. к 4 не равно 6, то наше предположение, что х = 1 было неверным.

Пусть х = 2.

2 · 2 + 2 = 6;

6 = 6. Т. к 6 равно 6, то наше предположение, что х = 2 было верным.

Ответ: х = 2.

2) Способ упрощения

Этот способ заключается в том, что все члены содержащие неизвестное переносим в левую часть, а известные в правую с противоположным знаком, приводим подобные, и делим обе части уравнения на коэффициент при неизвестном.

Например:

Решить уравнение.

5х – 4 = 21.

Решение.

5х – 4 = 11 + 2х;

5х – 2х = 11 + 4;

3х = 15; : (3) х = 5.

Ответ. х = 5.

3) Графический способ.

Он заключается в том, что строится график функций данного уравнения. Т. к в линейном уравнение у = 0, то график будет параллелен оси ординат. Точка пересечения графика с осью абсцисс будет решением данного уравнения.

Например:

Решить уравнение.

2х + 3 = 7.

Решение.

Пусть у = 7. Тогда у = 2х + 3.

Построим график функций обоих уравнений:

Способы решения систем линейных уравнений

В седьмом классе изучают три способа решения систем уравнений:

1) Способ подстановки.

Этот способ заключается в том, что в одном из уравнений выражают одно неизвестное через другое. Полученное выражение подставляют в другое уравнение, которое после этого обращается в уравнение с одним неизвестным, затем решают его. Получившееся значение этого неизвестного подставляют в любое уравнение исходной системы и находят значение второго неизвестного.

Например.

Решить систему уравнений.

3х + у = 4,

5х - 2у - 2 = 1.

Решение.

3х + у = 4; у = 4 - 3х.

Подставим полученное выражение в другое уравнение:

5х – 2(4 – 3х) -2 = 1;

5х – 8 + 6х = 1 + 2;

11х = 3 + 8;

11х = 11; : (11) х = 1.

Подставим полученное значение в уравнение 3х + у = 4.

3 · 1 + у = 4;

3 + у = 4; у = 4 – 3; у = 1.

Проверка.

/3 · 1 + 1 = 4,

\5 · 1 – 2 · 1 – 2 = 1;

/4 = 4,

\ 1 = 1.

Ответ: х = 1; у = 1.

2) Способ сложения.

Этот способ заключается в том, что если данная система состоит из уравнений, которые при почленном сложении образуют уравнение с одним неизвестным, то решив это уравнение, мы получим значение одного из неизвестных. Получившееся значение этого неизвестного подставляют в любое уравнение исходной системы и находят значение второго неизвестного.

Например:

Решить систему уравнений.

/3у – 2х = 5,

\5х – 3у = 4.

Решение.

3у – 2х = 5

5х – 3у = 4

Решим полученное уравнение.

3х = 9; : (3) х = 3.

Подставим полученное значение в уравнение 3у – 2х = 5.

3у – 2 · 3 = 5;

3у - 6 = 5;

3у = 5 + 6;

3у = 11; : (3) у = 11/3; у = 3 2/3.

Итак, х = 3; у = 3 2/3.

Проверка.

/3 · 11/3 – 2 · 3 = 5,

\5 · 3 – 3 · 11/ 3 = 4;

/11 - 6 =5,

\15 – 11 = 4;

/5 = 5,

Ответ. х = 3; у = 3 2/3

3) Графический способ.

Этот способ основан на том, что в одной системе координат строятся графики уравнений. Если графики уравнения пересекаются, то координаты точки пересечения являются решением данной системы. Если графики уравнения являются параллельными прямыми, то данная система не имеет решений. Если графики уравнений сольются в одну прямую, то система имеет бесконечно много решений.

Например.

Решить систему уравнений.

2х - у = 5,

18х + 3у - 1 = 8.

Решение.

2х - у = 5; 18х + 3y - 1 = 8;

- у = 5 - 2х; 3у = 9 - 18х; : (3) у = 2х - 5. у = 3 - 6х.

Построим графики функций у = 2х - 5 и у = 3 - 6х на одной системе координат.

Графики функций у = 2х - 5 и у = 3 - 6х пересекаются в точке А (1; -3).

Следовательно решением данной системы уравнений будет х = 1 и у = -3.

Проверка.

2 · 1 - (- 3) = 5,

18 · 1 + 3 · (-3) - 1 = 8.

2 + 3 = 5,

18 - 9 – 1 = 8;

Ответ. х = 1; у = -3.

Заключение

На основании всего выше изложенного можно сделать вывод, что уравнения необходимы в современном мире не только для решения практических задач, но и в качестве научного инструмента. Поэтому так много ученых изучали этот вопрос и продолжают изучать.

Описание работы

Основное содержание работы состоит из четырех частей. В первой части рассматривается вопрос о том, что такое «уравнения» и история их изучения. Во второй части говорится о видах уравнений, изученных до 7 класса (включительно). В третьей части указаны способы решения линейных уравнений, а в четвертой – способы решения систем линейных уравнений.