Sistemi kvadratnih jednačina

Sistemi kvadratnih jednačina

Uvod

Do sada ste rešavali jednu jednačinu sa jednom nepoznatom. Sistem jednačina je situacija u kojoj imamo dve jednačine sa dve nepoznate (xx i yy), i tražimo parove (x,y)(x, y) koji zadovoljavaju obe jednačine istovremeno.

Kada barem jedna od jednačina u sistemu sadrži nepoznate na kvadrat (ili u obliku xyxy), govorimo o sistemu kvadratnih jednačina. Rešenje se uvek zapisuje kao uređeni par (x,y)(x, y), jer je bitno koji broj odgovara kojoj nepoznatoj.

Sadržaj

  1. Metod zamene
  2. Metod sabiranja i oduzimanja
  3. Smena unutar jedne jednačine sistema
  4. Simetrični sistemi
  5. Homogena jednačina u sistemu
  6. Sistemi sa razlomcima

1. Metod zamene

Metod zamene je najosnovnija tehnika: iz jedne jednačine izrazimo jednu nepoznatu i zamenimo je u drugu jednačinu. To drugu jednačinu pretvara u jednačinu sa samo jednom nepoznatom, koju rešavamo kao kvadratnu.

Postupak:

  1. Iz jednostavnije jednačine izrazi xx (ili yy).
  2. Zameni taj izraz u drugu jednačinu.
  3. Reši dobijenu kvadratnu jednačinu.
  4. Za svako rešenje izračunaj odgovarajuću vrednost druge nepoznate.

Sistem: {x+2y=7xy=6\begin{cases} x + 2y = 7 \\ xy = 6 \end{cases}

Iz prve jednačine: x=72yx = 7 - 2y

Zamenjujemo u drugu:

(72y)y=6    7y2y2=6    2y27y+6=0(7 - 2y)y = 6 \implies 7y - 2y^2 = 6 \implies 2y^2 - 7y + 6 = 0

D=4948=1    y1,2=7±14D = 49 - 48 = 1 \implies y_{1,2} = \frac{7 \pm 1}{4}

y1=2    x1=74=3y_1 = 2 \implies x_1 = 7 - 4 = 3

y2=32    x2=73=4y_2 = \frac{3}{2} \implies x_2 = 7 - 3 = 4

(x,y){(3,2),  (4,32)}(x, y) \in \left\{(3,\, 2),\; \left(4,\, \frac{3}{2}\right)\right\}

Uvek biramo onu jednačinu koja je linearna ili jednostavnija za izražavanje jedne promenljive. Ako jedna jednačina glasi x+y=kx + y = k, iz nje odmah izrazimo x=kyx = k - y.


2. Metod sabiranja i oduzimanja

Ovaj metod se koristi kada se jednačine sistema mogu preoblikovati tako da se njihovim sabiranjem ili oduzimanjem eliminiše jedna nepoznata ili dobije jednostavniji izraz za dalje rešavanje.

Sistem: {x2+y2=2a2xy=a2\begin{cases} x^2 + y^2 = 2a^2 \\ xy = -a^2 \end{cases}

Množimo drugu jednačinu sa 2 i sabiramo sa prvom:

x2+2xy+y2=2a22a2=0    (x+y)2=0    y=xx^2 + 2xy + y^2 = 2a^2 - 2a^2 = 0 \implies (x + y)^2 = 0 \implies y = -x

Zamenjujemo y=xy = -x u drugu jednačinu: x(x)=a2    x2=a2    x=±ax(-x) = -a^2 \implies x^2 = a^2 \implies x = \pm a

(x,y){(a,a),  (a,a)}(x, y) \in \{(a, -a),\; (-a, a)\}

3. Smena unutar jedne jednačine sistema

Ponekad se u jednoj od jednačina sistema prepozna izraz koji se ponavlja, a kad ga zamenimo novom promenljivom tt, tu jednačinu pretvara u kvadratnu. Rešimo je po tt i dobijemo dve vrednosti. Svaka od njih nam daje vezu između xx i yy, koju zatim kombinujemo sa drugom jednačinom sistema i rešavamo.

Sistem: {(xy)2+4(xy)=21xy=28\begin{cases} (x-y)^2 + 4(x-y) = 21 \\ xy = 28 \end{cases}

U prvoj jednačini se izraz xyx - y pojavljuje dva puta. Smena t=xyt = x - y:

t2+4t21=0    t1=3,t2=7t^2 + 4t - 21 = 0 \implies t_1 = 3, \quad t_2 = -7

Slučaj 1 (xy=3x - y = 3): izrazimo x=y+3x = y + 3 i zamenimo u xy=28xy = 28:

y2+3y28=0    y1=4,  y2=7y^2 + 3y - 28 = 0 \implies y_1 = 4,\; y_2 = -7

Rešenja: (7,4)(7, 4) i (4,7)(-4, -7)

Slučaj 2 (xy=7x - y = -7): izrazimo x=y7x = y - 7 i zamenimo u xy=28xy = 28:

y27y28=0    y3,4=7±1612y^2 - 7y - 28 = 0 \implies y_{3,4} = \frac{7 \pm \sqrt{161}}{2}

Rešenja: (7+1612,  7+1612)\left(\dfrac{-7+\sqrt{161}}{2},\; \dfrac{7+\sqrt{161}}{2}\right) i (71612,  71612)\left(\dfrac{-7-\sqrt{161}}{2},\; \dfrac{7-\sqrt{161}}{2}\right)


4. Simetrični sistemi

Pogledajmo ovaj sistem:

{x2+y2=13x+y=5\begin{cases} x^2 + y^2 = 13 \\ x + y = 5 \end{cases}

Primetite nešto: ako bismo svuda zamenili xx sa yy i yy sa xx, sistem bi izgledao identično. Nije bitno koji broj zovemo xx, a koji yy, jednačine opisuju isti uslov za oba broja. Takav sistem zovemo simetričan.

Simetrični sistemi se prepoznaju po tome što svaki izraz u njima ostaje isti ako zamenimo xiyx i y. Izrazi poput x2+y2x^2 + y^2, xyxy, x+yx + y, x3+y3x^3 + y^3 su simetrični. S druge strane, x2yx^2 - y nije simetričan jer posle zamene dobijamo y2xy^2 - x, što nije isto.

Uvodimo smenu:

u=x+y,v=xyu = x + y, \qquad v = xy

i sistem prepisujemo kao dve jednačine po uu i vv, što je mnogo lakše rešiti.

Ključni identitet koji nam to omogućava je:

x2+y2=u22vx^2 + y^2 = u^2 - 2v

Odakle dolazi? Razvijamo (x+y)2=x2+2xy+y2(x+y)^2 = x^2 + 2xy + y^2, pa prenosimo 2xy2xy i dobijamo x2+y2=(x+y)22xy=u22vx^2 + y^2 = (x+y)^2 - 2xy = u^2 - 2v.

Analogno za kubove: x3+y3=(x+y)33xy(x+y)=u33vux^3 + y^3 = (x+y)^3 - 3xy(x+y) = u^3 - 3vu.

Poslednji korak je određivanje xx i yy: kada pronađemo uu i vv, znamo zbir i proizvod traženih brojeva. To znači da možemo da postavimo jednostavan sistem:

{x+y=uxy=v\begin{cases} x + y = u \\ xy = v \end{cases}

i rešimo ga metodom zamene: iz prve jednačine y=uxy = u - x, zamenjujemo u drugu i dobijamo kvadratnu jednačinu po xx.

Hajde da vidimo ceo postupak na jednostavnom primeru od početka:

Sistem: {x2+y2=13x+y=5\begin{cases} x^2 + y^2 = 13 \\ x + y = 5 \end{cases}

Uvodimo u=x+yu = x + y i v=xyv = xy. Iz druge jednačine odmah znamo u=5u = 5.

Koristimo x2+y2=u22vx^2 + y^2 = u^2 - 2v u prvoj jednačini:

252v=13    v=625 - 2v = 13 \implies v = 6

Znamo zbir (u=5u = 5) i proizvod (v=6v = 6). Rešavamo sistem:

{x+y=5xy=6\begin{cases} x + y = 5 \\ xy = 6 \end{cases}

Iz prve: y=5xy = 5 - x. Zamenjujemo u drugu:

x(5x)=6    x25x+6=0    x1=2,x2=3x(5 - x) = 6 \implies x^2 - 5x + 6 = 0 \implies x_1 = 2,\quad x_2 = 3

x1=2    y1=3,x2=3    y2=2x_1 = 2 \implies y_1 = 3, \qquad x_2 = 3 \implies y_2 = 2

(x,y){(2,3),  (3,2)}(x, y) \in \{(2, 3),\; (3, 2)\}

Sada primer gde uu i vv nisu odmah poznati i moramo rešiti sistem po njima:

Sistem: {x2+y2+xy=13x+y+xy=7\begin{cases} x^2 + y^2 + xy = 13 \\ x + y + xy = 7 \end{cases}

Smena u=x+yu = x + y, v=xyv = xy. Koristimo x2+y2=u22vx^2 + y^2 = u^2 - 2v:

{u22v+v=13u+v=7    {u2v=13v=7u\begin{cases} u^2 - 2v + v = 13 \\ u + v = 7 \end{cases} \implies \begin{cases} u^2 - v = 13 \\ v = 7 - u \end{cases}

Zamenjujemo v=7uv = 7 - u u prvu:

u2(7u)=13    u2+u20=0u^2 - (7 - u) = 13 \implies u^2 + u - 20 = 0

u1,2=1±92    u1=4,u2=5u_{1,2} = \frac{-1 \pm 9}{2} \implies u_1 = 4, \quad u_2 = -5

Za u1=4u_1 = 4: v1=3v_1 = 3. Rešavamo sistem {x+y=4,  xy=3}\{x + y = 4,\; xy = 3\}:

y=4x    x(4x)=3    x24x+3=0    x1=1,  x2=3y = 4 - x \implies x(4-x) = 3 \implies x^2 - 4x + 3 = 0 \implies x_1 = 1,\; x_2 = 3

Rešenja: (1,3)(1, 3) i (3,1)(3, 1).

Za u2=5u_2 = -5: v2=12v_2 = 12. Rešavamo sistem {x+y=5,  xy=12}\{x + y = -5,\; xy = 12\}:

y=5x    x(5x)=12    x2+5x+12=0y = -5 - x \implies x(-5-x) = 12 \implies x^2 + 5x + 12 = 0

D=2548=23<0    nema realnih resˇenjaD = 25 - 48 = -23 < 0 \implies \text{nema realnih rešenja}

(x,y){(1,3),  (3,1)}(x, y) \in \{(1, 3),\; (3, 1)\}

4.1 Složeniji simetrični sistemi

Ponekad su jednačine simetričnog sistema izražene kroz x3+y3x^3 + y^3 ili xy(x+y)xy(x+y). I tada koristimo iste smene uu i vv i odgovarajuće identitete.

Sistem: {x3+y3=2xy(x+y)=2\begin{cases} x^3 + y^3 = 2 \\ xy(x + y) = 2 \end{cases}

Smena u=x+yu = x + y, v=xyv = xy. Koristimo x3+y3=u33vux^3 + y^3 = u^3 - 3vu i xy(x+y)=vuxy(x+y) = vu:

{u33vu=2vu=2\begin{cases} u^3 - 3vu = 2 \\ vu = 2 \end{cases}

Iz druge: vu=2vu = 2. Zamenjujemo u prvu:

u332=2    u3=8    u=2u^3 - 3 \cdot 2 = 2 \implies u^3 = 8 \implies u = 2

v=2u=22=1v = \frac{2}{u} = \frac{2}{2} = 1

Znamo zbir (u=2u = 2) i proizvod (v=1v = 1). Rešavamo sistem {x+y=2,  xy=1}\{x + y = 2,\; xy = 1\}:

y=2x    x(2x)=1    x22x+1=0    (x1)2=0    x=1y = 2 - x \implies x(2 - x) = 1 \implies x^2 - 2x + 1 = 0 \implies (x-1)^2 = 0 \implies x = 1

x=1    y=21=1x = 1 \implies y = 2 - 1 = 1

(x,y)=(1,1)(x, y) = (1, 1)

5. Homogena jednačina u sistemu

Jednačina je homogena ako su svi njeni članovi istog stepena po nepoznatim. Na primer, x23xy+2y2=0x^2 - 3xy + 2y^2 = 0 je homogena drugog stepena jer svaki član ima zbir stepena po xx i yy jednak 2.

Homogenu jednačinu možemo rešiti na dva načina.

Način 1 - rešiti kao kvadratnu po xx

Posmatramo homogenu jednačinu kao kvadratnu po xx, gde yy tretiramo kao koeficijent, i primenjujemo kvadratnu formulu.

Sistem: {x23xy+2y2=0x23xy+3=0\begin{cases} x^2 - 3xy + 2y^2 = 0 \\ x^2 - 3x - y + 3 = 0 \end{cases}

Prva jednačina je homogena. Rešavamo je kao kvadratnu po xx:

x=3y±9y28y22=3y±y2x = \frac{3y \pm \sqrt{9y^2 - 8y^2}}{2} = \frac{3y \pm y}{2}

x1=2yilix2=yx_1 = 2y \qquad \text{ili} \qquad x_2 = y

Zamenjujemo svaku relaciju u drugu jednačinu sistema.

Slučaj 1 (x=2yx = 2y):

4y27y+3=0    y1=1,  y2=344y^2 - 7y + 3 = 0 \implies y_1 = 1,\; y_2 = \frac{3}{4}

Rešenja: (2,1)(2, 1) i (32,34)\left(\frac{3}{2}, \frac{3}{4}\right)

Slučaj 2 (x=yx = y):

y24y+3=0    y3=3,  y4=1y^2 - 4y + 3 = 0 \implies y_3 = 3,\; y_4 = 1

Rešenja: (3,3)(3, 3) i (1,1)(1, 1)

(x,y){(2,1),  (32,34),  (3,3),  (1,1)}(x, y) \in \left\{(2, 1),\; \left(\tfrac{3}{2}, \tfrac{3}{4}\right),\; (3, 3),\; (1, 1)\right\}

Način 2 — podeliti sa y2y^2

Pretpostavljamo y0y \neq 0 i delimo celu jednačinu sa y2y^2. Svaki od tri člana postaje razlomak sa y2y^2 u imeniocu, što nam omogućava da uvedemo smenu k=xyk = \dfrac{x}{y}. Time dobijamo kvadratnu jednačinu samo po kk, bez xx i yy. Rešenja k1k_1 i k2k_2 direktno daju relacije xy=ki\dfrac{x}{y} = k_i, tj. x=kiyx = k_i y.

Sistem: {x23xy+2y2=0x23xy+3=0\begin{cases} x^2 - 3xy + 2y^2 = 0 \\ x^2 - 3x - y + 3 = 0 \end{cases}

Prva jednačina je homogena. Delimo je sa y2y^2 (pretpostavljamo y0y \neq 0):

x2y23xy+2=0\frac{x^2}{y^2} - 3\cdot\frac{x}{y} + 2 = 0

Smena k=xyk = \dfrac{x}{y}:

k23k+2=0    (k1)(k2)=0    k1=2,  k2=1k^2 - 3k + 2 = 0 \implies (k-1)(k-2) = 0 \implies k_1 = 2,\; k_2 = 1

Odakle: xy=2    x=2y\dfrac{x}{y} = 2 \implies x = 2y ili xy=1    x=y\dfrac{x}{y} = 1 \implies x = y.

Zamenjujemo u drugu jednačinu sistema i dobijamo ista rešenja kao prvim načinom:

(x,y){(2,1),  (32,34),  (3,3),  (1,1)}(x, y) \in \left\{(2, 1),\; \left(\tfrac{3}{2}, \tfrac{3}{4}\right),\; (3, 3),\; (1, 1)\right\}

Ovaj način je često brži jer je jednačina po kk čistija i nema yy-ova u koeficijentima. Posebno se isplati kada su koeficijenti jednačine složeni.

6. Sistemi sa razlomcima

Kada sistem sadrži razlomke sa nepoznatima u imeniocu, neophodna su dva dodatna koraka u odnosu na standardni postupak:

  • Odrediti uslove definisanosti (imenilac 0\neq 0)
  • Proveriti da li rešenja zadovoljavaju uslove definisanosti.

Sistem: {1x2+4y+3=13x2y2=0\begin{cases} \dfrac{1}{x-2} + \dfrac{4}{y+3} = 1 \\[6pt] 3x - 2y - 2 = 0 \end{cases}

Uslovi definisanosti: x2x \neq 2 i y3y \neq -3.

Iz linearne jednačine: y=3x22y = \dfrac{3x-2}{2}. Zamenjujemo u prvu:

1x2+83x+4=1\frac{1}{x-2} + \frac{8}{3x+4} = 1

Množimo sa (x2)(3x+4)(x-2)(3x+4):

3x+4+8(x2)=(x2)(3x+4)    3x213x+4=03x + 4 + 8(x-2) = (x-2)(3x+4) \implies 3x^2 - 13x + 4 = 0

x1=4,x2=13x_1 = 4, \quad x_2 = \frac{1}{3}

Oba zadovoljavaju x2x \neq 2.

Računamo yy:

y1=5,y2=12y_1 = 5, \quad y_2 = -\frac{1}{2}

(x,y){(4,5),  (13,12)}(x, y) \in \left\{(4, 5),\; \left(\tfrac{1}{3}, -\tfrac{1}{2}\right)\right\}

Oba zadovoljavaju y3y \neq -3.

Pregled metoda

Šta vidimMetod
Jedna jednačina je linearnaZamena
Obe jednačine sadrže (xy)2(x-y)^2 ili sličan kvadratSabiranje/oduzimanje
Obe jednačine su simetrične po xx i yySmena u=x+yu = x+y, v=xyv = xy
Prva jednačina je homogena (x23xy+2y2=0x^2 - 3xy + 2y^2 = 0)Podeliti sa x2x^2 (ili y2y^2) ili rešiti celu jednačinu po xx (ili yy)
Razlomci sa nepoznatima u imeniocuOdrediti domen, eliminisati razlomke
Ponavljajući izraz u jednoj jednačiniSmena tog izraza, pa kombinacija sa drugom


Zadaci za vežbanje iz oblasti: Sistemi kvadratnih jednačina sa dve nepoznate

Rešiti sistem kvadratnih jednačina:

{x2+y2=2(xy+2)x+y=6\begin{cases} x^2 + y^2 = 2(xy + 2) \\ x + y = 6 \end{cases}
Uvodni

Rešiti sistem kvadratnih jednačina:

{x2y=23x2y=50\begin{cases} x^2 - y = 23 \\ x^2y = 50 \end{cases}
Uvodni

Rešiti sledeći sistem kvadratnih jednačina:

{2(x2+y2)5(x+y)=15xy2(x+y)=20\begin{cases} 2(x^2 + y^2) - 5(x + y) = 1 \\ 5xy - 2(x + y) = 20 \end{cases}
Uvodni

Rešiti sistem jednačina u kojem je prva jednačina homogena:

{x23xy+2y2=0x23xy+3=0\begin{cases} x^2 - 3xy + 2y^2 = 0 \\ x^2 - 3x - y + 3 = 0 \end{cases}
Uvodni

Rešiti sistem jednačina i dati odgovarajuću geometrijsku interpretaciju:

{x2y6=0x2+y4x=0\begin{cases} x^2 - y - 6 = 0 \\ x^2 + y - 4x = 0 \end{cases}
Uvodni

Rešiti sledeći sistem kvadratnih jednačina:

{x+2y=7xy=6\begin{cases} x + 2y = 7 \\ xy = 6 \end{cases}
Uvodni

Rešiti sistem kvadratnih jednačina:

{x+y=2xy=3\begin{cases} x + y = -2 \\ xy = -3 \end{cases}
Uvodni

Rešiti sistem kvadratnih jednačina:

{x2+y2=2a2xy=a2,aR\begin{cases} x^2 + y^2 = 2a^2 \\ xy = -a^2 \end{cases}, \quad a \in \mathbf{R}
Uvodni

Rešiti sistem kvadratnih jednačina:

{(xy)2+4(xy)=21xy=28\begin{cases} (x - y)^2 + 4(x - y) = 21 \\ xy = 28 \end{cases}
Uvodni

Rešiti sledeći sistem kvadratnih jednačina:

{x2+y2+x+y=3212(x+y)=7xy\begin{cases} x^2 + y^2 + x + y = 32 \\ 12(x + y) = 7xy \end{cases}
Uvodni