M Matematyka Krok po Kroku Równania i nierówności
📈 Lekcja: nierówności kwadratowe

Nierówności kwadratowe

W tej lekcji nauczysz się rozwiązywać nierówności kwadratowe przez wyznaczanie miejsc zerowych i odczytywanie znaku paraboli. Najważniejsze będzie zrozumienie, kiedy wykres znajduje się nad, a kiedy pod osią \(x\).

\(\Delta\) decyduje o liczbie miejsc zerowych
\(a\) pokazuje kierunek ramion paraboli
Krok 1

Czym jest nierówność kwadratowa?

Nierówność kwadratowa wygląda bardzo podobnie do równania kwadratowego. Różnica polega na tym, że zamiast znaku równości mamy znak nierówności.

Postać ogólna
\[ ax^2+bx+c \ \square\ 0, \qquad a \neq 0 \]

W miejscu symbolu \(\square\) może pojawić się jeden ze znaków: \(\lt\), \(\gt\), \(\leq\), \(\geq\).

Rozwiązywanie nierówności kwadratowej zaczynamy prawie tak samo jak rozwiązywanie równania kwadratowego. Najpierw znajdujemy miejsca zerowe funkcji kwadratowej, czyli rozwiązujemy równanie:

\[ ax^2+bx+c=0 \]
Najważniejsza idea

Nie wystarczy znaleźć same pierwiastki. Trzeba jeszcze sprawdzić, na których przedziałach parabola znajduje się nad osią \(x\), a na których pod osią \(x\).

Krok 2

Schemat rozwiązywania nierówności kwadratowej

Ten schemat warto stosować za każdym razem. Dzięki temu łatwiej uniknąć pomyłek przy wyborze przedziałów.

1
Zamień nierówność na równanie

Rozwiązujemy równanie \(ax^2+bx+c=0\), czyli szukamy miejsc zerowych paraboli.

2
Oblicz deltę \[ \Delta=b^2-4ac \]

Delta mówi nam, ile miejsc zerowych będzie miała funkcja kwadratowa.

3
Sprawdź kierunek ramion paraboli

Jeżeli \(a\gt0\), ramiona są skierowane w górę. Jeżeli \(a\lt0\), ramiona są skierowane w dół.

4
Wybierz właściwe przedziały

Jeżeli szukamy wartości dodatnich, wybieramy te fragmenty wykresu, które są nad osią \(x\). Jeżeli szukamy wartości ujemnych, wybieramy te fragmenty, które są pod osią \(x\).

Uwaga na znaki nierówności

Przy znakach \(\lt\) oraz \(\gt\) miejsc zerowych nie włączamy do odpowiedzi. Przy znakach \(\leq\) oraz \(\geq\) miejsca zerowe włączamy do odpowiedzi.

Przykład 1

Nierówność \(x^2-5x+6\gt0\)

Rozwiąż nierówność kwadratową

\(x^2-5x+6\gt0\)

Najpierw rozwiązujemy równanie:

\[ x^2-5x+6=0 \]

Widzimy, że:

\[ a=1,\qquad b=-5,\qquad c=6 \]

Obliczamy deltę:

\[ \Delta=(-5)^2-4\cdot1\cdot6=25-24=1 \]

Delta jest dodatnia, więc mamy dwa miejsca zerowe:

\[ x_1=\frac{5-\sqrt{1}}{2}=2, \qquad x_2=\frac{5+\sqrt{1}}{2}=3 \]

Ponieważ \(a=1\gt0\), parabola ma ramiona skierowane w górę. To oznacza, że funkcja jest dodatnia poza miejscami zerowymi, a ujemna między nimi.

Wykres funkcji \(f(x)=x^2-5x+6\)

Szukamy miejsc, gdzie \(f(x)\gt0\), czyli gdzie wykres znajduje się nad osią \(x\).

\[ x\in(-\infty,2)\cup(3,\infty) \]
Zaznaczenie rozwiązania na osi liczbowej

Odpowiedź: \[ x\in(-\infty,2)\cup(3,\infty) \]

Przykład 2

Nierówność \(-x^2+4x-3\lt0\)

Tym razem parabola ma ramiona skierowane w dół, dlatego znak funkcji układa się odwrotnie niż w poprzednim przykładzie.

Rozwiąż nierówność kwadratową

\(-x^2+4x-3\lt0\)

ramiona w dół

Najpierw rozwiązujemy równanie:

\[ -x^2+4x-3=0 \]

W tym przykładzie:

\[ a=-1,\qquad b=4,\qquad c=-3 \]

Obliczamy deltę:

\[ \Delta=4^2-4\cdot(-1)\cdot(-3)=16-12=4 \]

Obliczamy miejsca zerowe:

\[ x=\frac{-4\pm\sqrt{4}}{2\cdot(-1)} \] \[ x=\frac{-4\pm2}{-2} \] \[ x_1=1,\qquad x_2=3 \]

Ponieważ \(a=-1\lt0\), parabola ma ramiona skierowane w dół. Dlatego funkcja jest dodatnia między miejscami zerowymi, a ujemna poza nimi.

Wykres funkcji \(f(x)=-x^2+4x-3\)

Szukamy miejsc, gdzie \(f(x)\lt0\), czyli wybieramy fragmenty wykresu pod osią \(x\).

\[ x\in(-\infty,1)\cup(3,\infty) \]
Zaznaczenie rozwiązania na osi liczbowej

Odpowiedź: \[ x\in(-\infty,1)\cup(3,\infty) \]

Przykład 3

Nierówność \(x^2-6x+9\leq0\)

Tutaj delta jest równa zero, więc parabola tylko dotyka osi \(x\).

Rozwiąż nierówność kwadratową

\(x^2-6x+9\leq0\)

\(\Delta=0\)

Najpierw rozwiązujemy równanie:

\[ x^2-6x+9=0 \]

Obliczamy deltę:

\[ \Delta=(-6)^2-4\cdot1\cdot9=36-36=0 \]

Delta równa zero oznacza, że mamy jeden pierwiastek podwójny.

\[ x_0=\frac{-(-6)}{2\cdot1}=\frac{6}{2}=3 \]

Ponieważ \(a=1\gt0\), parabola ma ramiona skierowane w górę. Dotyka osi \(x\) w punkcie \(x=3\), ale poza tym punktem znajduje się nad osią.

Wykres funkcji \(f(x)=x^2-6x+9\)

Szukamy miejsc, gdzie \(f(x)\leq0\). Funkcja jest równa zero tylko dla \(x=3\), a nigdzie nie jest mniejsza od zera.

\[ x=3 \]
Zaznaczenie rozwiązania na osi liczbowej

Odpowiedź: \[ x=3 \]

Przykład 4

Nierówność \(x^2+4x+5\gt0\)

W tym przykładzie delta jest ujemna, więc parabola nie przecina osi \(x\).

Rozwiąż nierówność kwadratową

\(x^2+4x+5\gt0\)

\(\Delta\lt0\)

Obliczamy deltę:

\[ \Delta=4^2-4\cdot1\cdot5=16-20=-4 \]

Delta jest ujemna, więc funkcja kwadratowa nie ma miejsc zerowych. Oznacza to, że parabola nie przecina osi \(x\).

Ponieważ \(a=1\gt0\), ramiona paraboli są skierowane w górę. Skoro parabola nie przecina osi \(x\), to cała znajduje się nad osią.

Wykres funkcji \(f(x)=x^2+4x+5\)

Szukamy miejsc, gdzie \(f(x)\gt0\). Funkcja jest dodatnia dla każdej liczby rzeczywistej.

\[ x\in\mathbb{R} \]
Zaznaczenie rozwiązania na osi liczbowej

Odpowiedź: \[ x\in\mathbb{R} \]

Ćwiczenie interaktywne

Kalkulator nierówności kwadratowej

Wpisz współczynniki \(a\), \(b\), \(c\), wybierz znak nierówności i sprawdź rozwiązanie krok po kroku.

Jak korzystać z kalkulatora?

Kalkulator nie zastępuje rozumowania, ale pomaga sprawdzić schemat: delta, miejsca zerowe, kierunek ramion paraboli i wybór przedziałów.

Na koniec

Co trzeba zapamiętać?

W nierównościach kwadratowych najważniejsze jest połączenie obliczeń z interpretacją wykresu.

Gdy \(\Delta\gt0\)

Parabola przecina oś \(x\) w dwóch punktach. Odpowiedź zwykle będzie przedziałem lub sumą dwóch przedziałów.

Gdy \(\Delta=0\)

Parabola dotyka osi \(x\). Trzeba szczególnie uważać na znaki \(\leq\) oraz \(\geq\).

Gdy \(\Delta\lt0\)

Parabola nie przecina osi \(x\). Cała funkcja jest dodatnia albo cała ujemna — zależnie od znaku \(a\).

Znak \(a\)

Jeżeli \(a\gt0\), ramiona są w górę. Jeżeli \(a\lt0\), ramiona są w dół.