Definicja pierwiastka
Pierwiastkiem \(n\)-tego stopnia z liczby \(a\) nazywamy taką liczbę \(b\), że:
\[ b^n = a \]i zapisujemy:
\[ \sqrt[n]{a} = b \]Dziedzina pierwiastków
- Jeżeli \(n\) jest liczbą parzystą, to: \[ \sqrt[n]{a} \text{ istnieje tylko dla } a \geq 0 \]
- Jeżeli \(n\) jest liczbą nieparzystą, to: \[ \sqrt[n]{a} \text{ istnieje dla każdego } a \in \mathbb{R} \]
- \(\sqrt{9}=3\), ale \(\sqrt{-9}\) nie istnieje w zbiorze liczb rzeczywistych.
- \(\sqrt[3]{-8}=-2\), ponieważ pierwiastki nieparzyste mogą być liczone z liczb ujemnych. W tym przypadku: \[ (-2)\cdot(-2)\cdot(-2)=-8 \]
Własności pierwiastków
Dla \(a, b \geq 0\) oraz \(n \in \mathbb{N}\) zachodzą własności:
\[ \sqrt[n]{a \cdot b} = \sqrt[n]{a} \cdot \sqrt[n]{b} \] \[ \sqrt[n]{\frac{a}{b}} = \frac{\sqrt[n]{a}}{\sqrt[n]{b}}, \quad b \neq 0 \] \[ \left(\sqrt[n]{a}\right)^n = a \] \[ \sqrt[n]{a^n} = \begin{cases} |a| & \text{dla } n \text{ parzystego} \\ a & \text{dla } n \text{ nieparzystego} \end{cases} \]Wyłączanie czynnika przed znak pierwiastka
Jeżeli liczba pod pierwiastkiem zawiera czynnik będący potęgą \(n\)-tego stopnia, to można go wyłączyć:
\[ \sqrt[n]{a^n \cdot b} = a\sqrt[n]{b} \]Włączanie czynnika pod znak pierwiastka
Włączając czynnik pod pierwiastek, zawsze musimy go podnieść do potęgi, której stopnia jest pierwiastek.
Usuwanie niewymierności z mianownika
Usuwanie niewymierności z mianownika polega na takim przekształceniu wyrażenia algebraicznego, aby w mianowniku nie występował pierwiastek.
Celem jest doprowadzenie wyrażenia do postaci, w której mianownik jest liczbą wymierną, czyli bez pierwiastków.
W praktyce wykonujemy to poprzez pomnożenie licznika i mianownika przez odpowiednio dobrane wyrażenie.
Przypadek 1: Pierwiastek pojedynczy w mianowniku
Jeżeli w mianowniku występuje pojedynczy pierwiastek, mnożymy licznik i mianownik przez ten sam pierwiastek:
\[ \frac{1}{\sqrt{a}} = \frac{1 \cdot \sqrt{a}}{\sqrt{a} \cdot \sqrt{a}} = \frac{\sqrt{a}}{a} \]Widzimy, że:
\[ \sqrt{a}\cdot\sqrt{a}=a \]czyli pierwiastek znika z mianownika.
Przypadek 2: Pierwiastek pomnożony przez liczbę
Postępujemy dokładnie tak samo — mnożymy przez \(\sqrt{a}\).
Przypadek 3: Suma lub różnica z pierwiastkiem
Wyrażenie sprzężone do \(a+\sqrt{b}\) ma postać:
\[ a-\sqrt{b} \]Chodzi o to, że korzystamy ze wzoru skróconego mnożenia na różnicę kwadratów, bo inaczej nie usuniemy pierwiastka z mianownika. Robimy to zawsze, mnożąc przez to samo wyrażenie tylko z przeciwnym znakiem.
Aby usunąć niewymierność z mianownika w wyrażeniu:
\[ \frac{1}{a+\sqrt{b}} \]mnożymy licznik i mianownik przez wyrażenie sprzężone:
\[ \frac{1}{a+\sqrt{b}} \cdot \frac{a-\sqrt{b}}{a-\sqrt{b}} = \frac{a-\sqrt{b}}{(a+\sqrt{b})(a-\sqrt{b})} = \frac{a-\sqrt{b}}{a^2-b} \]Korzystamy ze wzoru:
\[ (a+b)(a-b)=a^2-b^2 \]Dlaczego to działa?
Mnożenie licznika i mianownika przez tę samą liczbę różną od zera nie zmienia wartości wyrażenia, bo mnożymy przez \(1\):
\[ \frac{a}{a}=1 \] \[ \frac{a}{b} = \frac{a \cdot c}{b \cdot c} \]My sprytnie dobieramy \(c\), aby:
- usunąć pierwiastek,
- uprościć mianownik.
Najczęstsze błędy
- Mnożenie tylko licznika, a nie całego ułamka.
- Złe dobranie wyrażenia sprzężonego.
- Zapominanie o wzorze skróconego mnożenia.
- Pozostawienie pierwiastka w mianowniku po przekształceniach.
Związek pierwiastków z potęgami
Ten zapis jest bardzo ważny przy przekształceniach algebraicznych oraz w zadaniach maturalnych.
Schemat rozwiązywania zadań z pierwiastkami
Aby poprawnie rozwiązać zadanie z pierwiastkami, postępuj według kroków:
-
Sprawdź dziedzinę.
Jeżeli występują pierwiastki parzystego stopnia, wyrażenie pod pierwiastkiem musi być nieujemne. -
Uprość wyrażenie.
- wyłącz czynniki przed pierwiastek,
- połącz pierwiastki,
- zamień na potęgi, jeśli wygodniej.
- Usuń niewymierność z mianownika, jeśli występuje.
-
Wykonaj działania algebraiczne.
- redukuj wyrazy podobne,
- stosuj wzory skróconego mnożenia.
-
Sprawdź wynik.
Upewnij się, że spełnia warunki dziedziny.
Przykłady maturalne
Uprość wyrażenie:
\[ \sqrt{50} - 2\sqrt{8} + \sqrt{18} \]Podstawiamy nasze poboczne obliczenia i otrzymujemy trzy pierwiastki tego samego stopnia i z tą samą liczbą pod pierwiastkiem.
Usuń niewymierność z mianownika:
\[ \frac{3}{\sqrt{5}} \]Aby usunąć niewymierność z mianownika, musimy przemnożyć nasze wyrażenie przez ułamek, gdzie w liczniku i w mianowniku jest ten sam pierwiastek.
Usuń niewymierność z mianownika:
\[ \frac{2}{3 + \sqrt{7}} \]Równania z pierwiastkami
Aby rozwiązać równanie z pierwiastkiem, postępuj według kroków:
-
Wyznacz dziedzinę.
Wyrażenia pod pierwiastkami parzystego stopnia muszą być nieujemne. -
Usuń pierwiastek.
Podnieś obie strony równania do odpowiedniej potęgi. - Rozwiąż otrzymane równanie.
-
Sprawdź rozwiązania.
Podnoszenie do potęgi może wprowadzić rozwiązania sprzeczne.
Rozwiąż równanie:
\[ \sqrt{x - 1} = 3 \]Najpierw musimy wyznaczyć dziedzinę:
Mamy już określoną dziedzinę \(x \geq 1\), zatem przystępujemy do kolejnego kroku.
Rozwiąż równanie:
\[ \sqrt{x + 2} = x - 2 \]Dostaliśmy równanie kwadratowe, zatem policzymy deltę.
Obie wartości należą do dziedziny, zatem musimy je jeszcze sprawdzić w równaniu.
Nierówności z pierwiastkami
Aby rozwiązać nierówność z pierwiastkiem:
- Wyznacz dziedzinę.
- Przenieś wszystko na jedną stronę.
- Usuń pierwiastek, podnosząc do potęgi.
- Rozwiąż nierówność.
- Zaznacz rozwiązanie na osi liczbowej.
- Sprawdź warunki dziedziny.
Rozwiąż nierówność:
\[ \sqrt{x - 1} > 2 \]Mamy nierówność ostrą \(>\), zatem wartość \(5\) nie należy do rozwiązania i na osi liczbowej oznaczamy ją pustym kółkiem.
Rozwiąż nierówność:
\[ \sqrt{x} \leq x - 2 \]Rozwiążemy równanie wykorzystując deltę \(\Delta\).
Mamy więc nierówność:
\[ 0 \leq x^2 - 5x + 4 \]Rozpatrzmy funkcję:
\[ f(x)=x^2-5x+4 \]Wykres poniżej nie jest wpisany ręcznie punkt po punkcie. Jest generowany z funkcji \(f(x)=x^2-5x+4\).
Z wykresu widzimy, że funkcja \(f(x)=x^2-5x+4\) przyjmuje wartości nieujemne dla:
\[ x \in (-\infty,1] \cup [4,\infty) \]Ale to jeszcze nie koniec. W naszej nierówności mamy:
\[ \sqrt{x} \leq x-2 \]Lewa strona, czyli \(\sqrt{x}\), jest zawsze nieujemna, więc prawa strona też musi być nieujemna:
\[ x-2 \geq 0 \] \[ x \geq 2 \]Przecinamy więc oba warunki:
\[ \left((-\infty,1] \cup [4,\infty)\right)\cap [2,\infty)=[4,\infty) \]Typowe błędy uczniów
-
\[
\sqrt{a + b} ≠ \sqrt{a} + \sqrt{b}
\]
\[
\sqrt{a^2} ≠ a
\]
Poprawnie:
\[
\sqrt{a^2} = |a|
\]
\[
\frac{1}{\sqrt{a}} ≠ \frac{1}{a}
\]
Brakuje usunięcia niewymierności.
Mnożenie tylko licznika przy usuwaniu niewymierności
Złe wyrażenie sprzężone:
\[
a + \sqrt{b}
\quad \text{i ktoś bierze} \quad
a + \sqrt{b}
\]
zamiast:
\[
a - \sqrt{b}
\]
Brak sprawdzenia dziedziny, na przykład \(\sqrt{x-3}\) dla \(x<3\).
Najczęściej spotykamy: