Iracionalne jednačine i nejednačine

Iracionalne jednačine i nejednačine

Uvod

Iracionalna jednačina ili nejednačina je ona u kojoj se nepoznata pojavljuje pod znakom korena. Kvadriranjem se "skida" koren, ali upravo tu nastaje najveći broj grešaka: kvadriranjem se mogu pojaviti lažna rešenja, a propuštanjem uslova definisanosti može se prihvatiti rešenje koje nije ni definisano.


Sadržaj

  1. Iracionalne jednačine
  2. Iracionalne nejednačine

1. Iracionalne jednačine

Iracionalna jednačina ima opšti oblik A=B\sqrt{A} = B. Oslobađamo se korena i postavljamo uslove pa rešavamo:

A=B    {A=B2A0B0\sqrt{A} = B \iff \begin{cases} A = B^2 \\ A \geq 0 \\ B \geq 0 \end{cases}

Uslov A0A \geq 0 osigurava da je koren definisan. Uslov B0B \geq 0 sledi iz toga što je kvadratni koren uvek nenegativan, pa desna strana ne može biti negativna. Ako se B0B \geq 0 zanemari, kvadriranjem mogu nastati lažna rešenja.

Ako je A\sqrt{A} u imeniocu, uslov je stroži: A>0A > 0.

Obavezni koraci:

  1. Odrediti domen (A0A \geq 0 za svaki koren),
  2. Postaviti uslov B0B \geq 0 za desnu stranu ako sadrži nepoznatu,
  3. Kvadrirati obe strane i rešiti dobijenu jednačinu,
  4. Proveriti rešenja i odbaciti ona koja ne zadovoljavaju uslove iz koraka 1 i 2.

Jednačina: 2x+5=x+22\sqrt{x+5} = x + 2

Domen: x5x \geq -5. Uslov desne strane: x+20    x2x + 2 \geq 0 \implies x \geq -2.

Kombinovano: x2x \geq -2.

Kvadriramo:

4(x+5)=(x+2)2    4x+20=x2+4x+4    x216=04(x+5) = (x+2)^2 \implies 4x + 20 = x^2 + 4x + 4 \implies x^2 - 16 = 0

x1=4,x2=4x_1 = 4, \quad x_2 = -4

Provera: x1=42x_1 = 4 \geq -2 ✓, x2=4<2\quad x_2 = -4 < -2

x=4x = 4

1.1 Jednačine sa dva korena

Koren na jednoj strani

Oba korena su na levoj strani, desna je broj. Jedan koren prenosimo na desnu stranu, kvadriramo, pa ponavljamo.

Jednačina: x+22x3=1\sqrt{x+2} - \sqrt{2x-3} = 1

Korak 1 je određivanje domena: x+20x + 2 \geq 0 i 2x30    x322x - 3 \geq 0 \implies x \geq \dfrac{3}{2}

Zatim izolujemo jedan koren (prenosimo 2x3\sqrt{2x-3} na desnu stranu):

x+2=1+2x3\sqrt{x+2} = 1 + \sqrt{2x-3}

Da bismo smeli da kvadriramo, desna strana mora biti nenegativna. Pošto je 2x30\sqrt{2x-3} \geq 0 na celom domenu, desna strana je 1+2x31>01 + \sqrt{2x-3} \geq 1 > 0 pa je uslov uvek zadovoljen.

Kvadriramo (koristimo (a+b)2=a2+2ab+b2(a+b)^2 = a^2 + 2ab + b^2 na desnoj strani):

x+2=(1+2x3)2=1+22x3+(2x3)x + 2 = \left(1 + \sqrt{2x-3}\right)^2 = 1 + 2\sqrt{2x-3} + (2x-3)

x+2=2x2+22x3x + 2 = 2x - 2 + 2\sqrt{2x-3}

Prenosimo sve osim korena na levu stranu:

4x=22x34 - x = 2\sqrt{2x-3}

Postavljamo uslov pre drugog kvadriranja: leva strana 4x4 - x mora biti nenegativna:

4x0    x44 - x \geq 0 \implies x \leq 4

Kombinovano sa domenom x32x \geq \dfrac{3}{2}, interval dozvoljenih vrednosti je x[32,4]x \in \left[\dfrac{3}{2},\, 4\right].

Kvadriramo ponovo:

(4x)2=(22x3)2(4-x)^2 = \left(2\sqrt{2x-3}\right)^2

168x+x2=4(2x3)=8x1216 - 8x + x^2 = 4(2x-3) = 8x - 12

x216x+28=0    x1=14,x2=2x^2 - 16x + 28 = 0 \implies x_1 = 14, \quad x_2 = 2

Provera u radnom intervalu [32,4]\left[\dfrac{3}{2},\, 4\right]:

x1=14[32,4]x_1 = 14 \notin \left[\dfrac{3}{2},\, 4\right]x2=2[32,4]\quad x_2 = 2 \in \left[\dfrac{3}{2},\, 4\right]

x=2x = 2

Koreni sa obe strane

Kada su obe strane koreni, kvadriranjem direktno dobijamo jednačinu bez korena. Lažna rešenja ne nastaju, ali provera domena ostaje obavezna.

Jednačina: x25=x+1\sqrt{x^2-5} = \sqrt{x+1}

Domen: x250x^2 - 5 \geq 0 i x+10    x[5,+)x + 1 \geq 0 \implies x \in [\sqrt{5},\, +\infty)

Kvadriramo:

x25=x+1    x2x6=0    x1=3,x2=2x^2 - 5 = x + 1 \implies x^2 - x - 6 = 0 \implies x_1 = 3, \quad x_2 = -2

Provera: x1=352.24x_1 = 3 \geq \sqrt{5} \approx 2.24 ✓, x2=2[5,+)\quad x_2 = -2 \notin [\sqrt{5},\, +\infty)

x=3x = 3


1.2 Jednačine bez rešenja

Postoje dva razloga zašto jednačina može nemati rešenja:

Prazan domen: uslovi definisanosti se međusobno isključuju.

Jednačina: x5+2x=8\sqrt{x-5} + \sqrt{2-x} = 8

Domen: x5x \geq 5 i x2x \leq 2 - presek je prazan skup.

xx \in \emptyset

Jedna strana je uvek pogrešnog znaka: Na celom domenu, leva strana je strogo pozitivna (ili negativna), pa ne može biti jednaka desnoj.

Jednačina: 2x1+x5+3=0\sqrt{2x-1} + \sqrt{x-5} + 3 = 0

Domen: x5x \geq 5.

Na celom domenu: 2x10\sqrt{2x-1} \geq 0 i x50\sqrt{x-5} \geq 0, pa je leva strana 3>0\geq 3 > 0.

xx \in \emptyset


2. Iracionalne nejednačine

Sve iracionalne nejednačine svodimo na jedan od sledećih oblika. Za svaki oblik važi precizna ekvivalencija:


Oblik A(x)>B(x)\sqrt{A(x)} > B(x):

Pošto je A(x)0\sqrt{A(x)} \geq 0, a za B(x)B(x) unapred ne znamo znak (može biti negativno ili nenegativno), razdvajamo na dva slučaja:

A(x)>B(x)    {A(x)0B(x)<0{A(x)>B(x)2B(x)0\sqrt{A(x)} > B(x) \iff \begin{cases} A(x) \geq 0 \\ B(x) < 0 \end{cases} \quad \lor \quad \begin{cases} A(x) > B(x)^2 \\ B(x) \geq 0 \end{cases}

Ako je B(x)<0B(x) < 0, desna strana je negativna pa je nejednačina automatski ispunjena za sve xx iz domena (jer A(x)0>B(x)\sqrt{A(x)} \geq 0 > B(x)).

Ako je B(x)0B(x) \geq 0, obe strane su nenegativne i tek tada smemo da kvadriramo, čime dobijamo uslov A(x)>B(x)2A(x) > B(x)^2.


Oblik A(x)>B(x)\sqrt{A(x)} > \sqrt{B(x)}:

A(x)>B(x)    {B(x)0A(x)>B(x)\sqrt{A(x)} > \sqrt{B(x)} \iff \begin{cases} B(x) \geq 0 \\ A(x) > B(x) \end{cases}

Obe strane su nenegativne, pa direktno kvadriramo. Uslov A(x)0A(x) \geq 0 nije potreban jer ga implicira A(x)>B(x)0A(x) > B(x) \geq 0.


Oblik A(x)<B(x)\sqrt{A(x)} < B(x):

A(x)<B(x)    {A(x)0B(x)>0A(x)<B(x)2\sqrt{A(x)} < B(x) \iff \begin{cases} A(x) \geq 0 \\ B(x) > 0 \\ A(x) < B(x)^2 \end{cases}

Ako je B(x)0B(x) \leq 0, nejednačina nema rešenja jer je koren uvek 0\geq 0.

Ako je B(x)>0B(x) > 0, postavljamo sve tri nejednačine istovremeno. Uslov A(x)0A(x) \geq 0 ne sme biti izostavljen jer ga A(x)<B(x)2A(x) < B(x)^2 ne garantuje.


Oblik A(x)<B(x)\sqrt{A(x)} < \sqrt{B(x)}:

A(x)<B(x)    {A(x)0B(x)0A(x)<B(x)\sqrt{A(x)} < \sqrt{B(x)} \iff \begin{cases} A(x) \geq 0 \\ B(x) \geq 0 \\ A(x) < B(x) \end{cases}

Za razliku od >> oblika, ovde ne možemo izostaviti A(x)0A(x) \geq 0.


2.1 Primeri

Nejednačina: x2+5x+5>1\sqrt{x^2+5x+5} > 1

Identifikujemo oblik A(x)>B(x)\sqrt{A(x)} > B(x) gde je A(x)=x2+5x+5A(x) = x^2+5x+5 i B(x)=1B(x) = 1.

Pošto je B(x)=10B(x) = 1 \geq 0, primenjujemo desni slučaj:

{x2+5x+5>1210    x2+5x+4>0    (x+4)(x+1)>0\begin{cases} x^2+5x+5 > 1^2 \\ 1 \geq 0 \end{cases} \implies x^2 + 5x + 4 > 0 \implies (x+4)(x+1) > 0

x(,4)(1,+)x \in (-\infty, -4) \cup (-1, +\infty)

Nejednačina: 3x25x3>2x+3\sqrt{3x^2-5x-3} > \sqrt{2x+3}

Identifikujemo oblik A(x)>B(x)\sqrt{A(x)} > \sqrt{B(x)} gde je A(x)=3x25x3A(x) = 3x^2-5x-3 i B(x)=2x+3B(x) = 2x+3.

{2x+303x25x3>2x+3    {x323x27x6>0\begin{cases} 2x + 3 \geq 0 \\ 3x^2 - 5x - 3 > 2x + 3 \end{cases} \implies \begin{cases} x \geq -\dfrac{3}{2} \\[4pt] 3x^2 - 7x - 6 > 0 \end{cases}

Nule 3x27x6=03x^2 - 7x - 6 = 0: x1=3x_1 = 3, x2=23x_2 = -\dfrac{2}{3}.

Rešenje 3x27x6>03x^2 - 7x - 6 > 0: x(,23)(3,+)x \in \left(-\infty, -\dfrac{2}{3}\right) \cup (3, +\infty)

Presek sa x32x \geq -\dfrac{3}{2}:

x[32,23)(3,+)x \in \left[-\frac{3}{2},\, -\frac{2}{3}\right) \cup (3, +\infty)

Nejednačina: x+2<4x\sqrt{x+2} < 4 - x

Identifikujemo oblik A(x)<B(x)\sqrt{A(x)} < B(x) gde je A(x)=x+2A(x) = x+2 i B(x)=4xB(x) = 4-x.

Postavljamo sistem:

{x+204x>0x+2<(4x)2    {x2x<4x+2<168x+x2\begin{cases} x + 2 \geq 0 \\ 4 - x > 0 \\ x + 2 < (4-x)^2 \end{cases} \implies \begin{cases} x \geq -2 \\ x < 4 \\ x + 2 < 16 - 8x + x^2 \end{cases}

Treća nejednačina: x29x+14>0    (x2)(x7)>0    x(,2)(7,+)x^2 - 9x + 14 > 0 \implies (x-2)(x-7) > 0 \implies x \in (-\infty, 2) \cup (7, +\infty)

Presek sva tri uslova (x2x \geq -2, x<4x < 4, x(,2)(7,+)x \in (-\infty, 2) \cup (7, +\infty)):

x[2,2)x \in [-2,\, 2)


2.2 Nejednačine sa više korena

Kada nejednačina sadrži zbir ili razliku korena, kvadriramo postepeno, isti princip kao kod jednačina sa dva korena.

Pre kvadriranja uvek prebaciti izraze na takav način da obe strane budu nenegativne. Samo tada kvadriranje čuva smer nejednačine.

Nejednačina: 2x3x5<4\sqrt{2x-3} - \sqrt{x-5} < 4

Korak 1 — domen: oba izraza pod korenom moraju biti nenegativna:

2x30    x32,x50    x52x - 3 \geq 0 \implies x \geq \frac{3}{2}, \qquad x - 5 \geq 0 \implies x \geq 5

Presek ova dva uslova daje domen x5x \geq 5. Uslov x32x \geq \dfrac{3}{2} je slabiji, pa ga x5x \geq 5 automatski pokriva.

Korak 2 — prenosimo negativni koren na desnu stranu.

Leva strana u obliku AB<4\sqrt{A} - \sqrt{B} < 4 nije pogodna za kvadriranje jer desna strana sadrži samo broj 4, a posle kvadriranja bi nastao koren koji otežava dalje rešavanje. Prenosimo x5\sqrt{x-5} na desnu stranu kako bismo osigurali da desna strana bude zasigurno pozitivna pre kvadriranja:

2x3<4+x5\sqrt{2x-3} < 4 + \sqrt{x-5}

Na domenu x5x \geq 5 važi x50\sqrt{x-5} \geq 0, pa je desna strana 4+x54>04 + \sqrt{x-5} \geq 4 > 0. Uslov nenegativnosti je zadovoljen, kvadriramo:

2x3<(4+x5)22x - 3 < \left(4 + \sqrt{x-5}\right)^2

2x3<16+8x5+(x5)2x - 3 < 16 + 8\sqrt{x-5} + (x-5)

2x3<x+11+8x52x - 3 < x + 11 + 8\sqrt{x-5}

x14<8x5x - 14 < 8\sqrt{x-5}

8x5>x148\sqrt{x-5} > x - 14

Korak 3 — primenjujemo oblik A(x)>B(x)\sqrt{A(x)} > B(x) gde je A(x)=x5A(x) = x - 5 i B(x)=x14B(x) = x - 14.

Razmatramo dva slučaja po znaku B(x)B(x):

Slučaj 1 (B(x)<0B(x) < 0, tj. x<14x < 14): B(x)B(x) je negativno, a A(x)\sqrt{A(x)} uvek nenegativno. Nejednačina automatski važi. Rešenje: x[5,14)x \in [5,\, 14).

Slučaj 2 (B(x)0B(x) \geq 0, tj. x14x \geq 14): obe strane nenegativne, kvadriramo:

(x14)2<64(x5)(x-14)^2 < 64(x-5)

x228x+196<64x320x^2 - 28x + 196 < 64x - 320

x292x+516<0x^2 - 92x + 516 < 0

Nule: x1=6x_1 = 6, x2=86x_2 = 86. Rešenje: x(6,86)x \in (6,\, 86).

Presek sa x14x \geq 14: x[14,86)x \in [14,\, 86).

Korak 4 — unija oba slučaja:

x[5,14)[14,86)=[5,86)x \in [5,\, 14) \cup [14,\, 86) = [5,\, 86)