Równania i nierówności pierwiastkowe

Rozwiązując równania i nierówności pierwiastkowe, korzystamy z następujących twierdzeń:
Dla \(a, b\geq 0\) i \(n\in\mathbb{N}\), gdzie \(n\) jest liczbą parzystą mamy:
  1. \(a=b \quad \Longleftrightarrow \quad a^n=b^n\)
  2. \(a <b \quad \Longleftrightarrow \quad a^n <b^n\)
  3. \(a>b \quad \Longleftrightarrow \quad a^n>b^n\)
Dla \(a, b\in \mathbb{R}\), \(n\in\mathbb{N}\), gdzie \(n\) jest liczbą nieparzystą, mamy:
  1. \(a=b \quad \Longleftrightarrow \quad a^n=b^n\)
  2. \(a<b \quad \Longleftrightarrow \quad a^n<b^n\)
  3. \(a>b \quad \Longleftrightarrow \quad a^n>b^n\)
Wynika z nich, że w przypadku, gdy równanie lub nierówność podnosimy stronami do parzystej potęgi, musimy mieć pewność, że obie strony równania lub nierówności mają wartości nieujemne. W przypadku, gdy równanie lub nierówność podnosimy stronami do nieparzystej potęgi, wyrażenia w nich zawarte mogą przyjmować dowolne wartości.
Aby rozwiązać równanie potęgowe, w którym po jednej stronie stoi pierwiastek parzystego stopnia, a po drugiej liczba rzeczywista, warto najpierw sprawdzić, czy nie jest ono sprzeczne, tzn. czy wartości wyrażeń stojących po obu stronach równania są tego samego znaku. Jeżeli równanie potęgowe nie jest sprzeczne, to wyznaczamy jego dziedzinę, pamiętając, że wyrażenie stojące pod pierwiastkiem parzystego stopnia musi być nieujemne. Jeżeli założymy, że \(x\) należy do dziedziny równania, to możemy pozbyć się występujących w nim pierwiastków, korzystając z podanych wyżej własności potęg, czyli podnieść do odpowiedniej potęgi obie strony tego równania. W ten sposób otrzymamy równanie równoważne, którego rozwiązanie będzie rozwiązaniem wyjściowego równania pierwiastkowego, o ile rozwiązanie to należy do wyznaczonej wcześniej dziedziny.
Zadanie
Rozwiąż równanie:
  1. \(\displaystyle \sqrt{x-4}=2\)
    Rozpoczynamy od ustalenia dziedziny równania. Ponieważ wyrażenie pod pierwiastkiem parzystego stopnia musi być nieujemne, więc dziedziną równania jest zbiór \(D=\left<4,\infty\right)\). Korzystając z podanego wyżej twierdzenia, podnosimy obie strony do kwadratu i dostajemy równanie równoważne \[ x-4=4\quad \Longleftrightarrow\quad x=8 \] Ponieważ \(8\in D\), więc jest to rozwiązanie równania.
  2. \(\displaystyle \sqrt{2x-x^2}=1\)
    Wyznaczymy najpierw dziedzinę równania. Wyrażenie pod pierwiastkiem parzystego stopnia musi być nieujemne, więc: \[ D:\quad 2x-x^2\geq 0 \] \[ \quad\qquad x(2-x)\geq 0 \] Rysujemy parabolę będącą wykresem funkcji \(y=x(2-x)\)
    Rysunek przedstawiający dziedzinę równania na osi liczbowej.
    Z rysunku odczytujemy, że dziedziną równania jest \(D=\left<0,2\right>\). Korzystając z własności potęg, podnosimy obie strony równania do kwadratu i dostajemy równanie równoważne: \[ 2x-x^2=1 \] \[ \qquad -x^2+2x-1=0\ /\cdot (-1) \] \[ x^2-2x+1=0 \] \[ (x-1)^2=0 \] \[ x=1 \] Ponieważ \(1\in D\), zatem jest rozwiązaniem równania.
  3. \(\displaystyle \root 3 \of {x^2-3x}=2\)
    Wyrażenie pod pierwiastkiem nieparzystego stopnia może być dowolnego znaku, więc dziedziną równania jest zbiór \(D=\mathbb{R}\). Podnosimy obie strony do potęgi trzeciej i dostajemy równanie równoważne: \[ x^2-3x=8 \] \[ x^2-3x-8=0 \] Ponieważ \(\Delta = 41\) i \(D=\mathbb{R}\), więc rozwiązanie równania to: \[ x={3-\sqrt{41}\over 2} \quad \vee \quad x={3+\sqrt{41}\over 2} \]
  4. \(\displaystyle \sqrt{3x-1}=-4\)
    Ponieważ prawa strona równania jest ujemna, a lewa – nieujemna, dlatego równanie jest sprzeczne.
  5. \(\displaystyle \root 3 \of {x^2-3x+1}=-1\)
    Wyrażenie pod pierwiastkiem nieparzystego stopnia może być dowolnego znaku, więc dziedziną równania jest zbiór \(D=\mathbb{R}\). Podnosimy obie strony do potęgi trzeciej i dostajemy równanie równoważne: \[ x^2-3x+1=-1 \] \[ x^2-3x+2=0 \] Ponieważ \(\Delta = 1\) i \(D=\mathbb{R}\), więc rozwiązanie równania to \[ x=1 \quad \vee \quad x=2 \]
  6. \(\displaystyle (x^2-1)\sqrt{x-1}=0\)
    Wyrażenie pod pierwiastkiem parzystego stopnia musi być nieujemne, więc \[ D:\quad x-1\geq 0 \] \[ \quad x\geq 1 \] Zatem dziedziną równania jest zbiór \(D=\left<1,\infty \right)\). Równanie możemy przedstawić w postaci \[ (x-1)(x+1)\sqrt{1-x}=0 \] Ponieważ iloczyn jest równy \(0\) wtedy i tylko wtedy, gdy przynajmniej jeden z czynników jest równy \(0\), to: \[ x-1=0\quad \vee \quad x+1=0 \quad \vee \quad \sqrt{1-x}=0 \] \[ x=1\quad \vee \quad x=-1 \] Po uwzględnieniu dziedziny równania widzimy, że jedynym jego rozwiązaniem jest \(x=1\).
  7. \(\displaystyle \sqrt{\frac{x+2}{2x-1}}=2\)
    Wyznaczymy najpierw dziedzinę równania. Wyrażenie pod pierwiastkiem parzystego stopnia musi być nieujemne oraz mianownik musi być różny od zera, więc: \[ D:\quad \left\{\eqalign{\frac{x+2}{2x-1}\geq 0 \cr 2x-1\neq 0\cr}\right.\]Ponieważ znak ilorazu jest taki sam, jak znak iloczynu, to powyższy warunek możemy przedstawić w postaci \[(x+2)(2x-1)\geq 0 \quad \wedge \quad x\neq \frac{1}{2} \] Rysujemy parabolę będącą wykresem funkcji \(y=(x+2)(2x-1)\).
    Rysunek przedstawiający parabolę z miejscami zerowymi w punktach -2 i 1/2 oraz ramionami skierowanymi w górę.
    Z rysunku odczytujemy, że dziedziną równania jest \(D=\left(-\infty,-2\right>\cup\left(\frac{1}{2},\infty\right)\). Ponieważ obie strony równania są nieujemne, to podnosimy je do kwadratu i dostajemy równanie równoważne: \[ \frac{x+2}{2x-1}=4 \]\[\frac{x+2}{2x-1}-4=0\]\[\frac{x+2}{2x-1}-\frac{4(2x-1)}{2x-1)}=0\]\[\frac{x+2-8x+4}{2x-1}=0\]\[\frac{-7x+6}{2x-1}=0\] \[-7x+6=0\]\[x=\frac{6}{7}\] Ponieważ \(\frac{6}{7}\in D\), zatem jest rozwiązaniem równania.
  8. \(\displaystyle \sqrt{5-x}=3-x\)
    Wyrażenie pod pierwiastkiem parzystego stopnia musi być nieujemne, czyli \[D:\quad 5-x\geq 0\] \[\qquad\qquad\quad\ -x\geq -5 \ /:(-1)\] \[\qquad x\leq 5\] Zatem dziedziną równania jest zbiór \(D=\left(-\infty,5 \right>\). Zauważmy, że lewa strona równania jest nieujemna. Aby równanie było niesprzeczne, jego prawa strona także musi być nieujemna. Załóżmy więc, że \[3-x\geq 0\] \[x\leq 3\] Przy powyższym założeniu możemy podnieść obie strony do kwadratu \[5-x=(3-x)^2\] \[5-x=9-6x+x^2\] Uporządkujemy równanie \[x^2-5x+4=0\] Ponieważ \(\Delta = 9\), więc \[x=1 \quad \vee \quad x=4\] Wobec założenia \(x\leq 3\) i \(D=\left(-\infty,5 \right>\) jedynym rozwiązaniem równania jest \(x=1\).
  9. \(\displaystyle \sqrt{8-2x}=x-2\)
    Wyrażenie pod pierwiastkiem parzystego stopnia musi być nieujemne, czyli \[D:\quad 8-2x\geq 0\] \[\qquad\qquad\quad -2x\geq -8 \ /:(-1)\] \[\qquad x\leq 4\] Zatem dziedziną równania jest zbiór \(D=\left(-\infty,4 \right>\). Zauważmy, że lewa strona równania jest nieujemna. Aby równanie było niesprzeczne, jego prawa strona także musi być nieujemna. Załóżmy więc, że \[x-2\geq 0\] \[x\geq 2\] Po uwzględnieniu dziedziny równania otrzymujemy warunek \(x\in \left<2,4\right>\). Przy powyższym założeniu możemy podnieść obie strony równania do kwadratu \[8-2x=(x-2)^2\] \[8-2x=x^2-4x+4\] Po uporządkowaniu dostajemy równanie \[x^2-2x-4=0\] Ponieważ\(\Delta = 20\) i \(\sqrt{\Delta} = \sqrt{20}=2\sqrt{5}\), więc \[x={2-2\sqrt{5}\over 2}=1-\sqrt{5} \quad \vee \quad x=1+\sqrt{5}\] Wobec założenia \(x\in \left<2,4\right>\) jedynym rozwiązaniem równania jest \(x=1+\sqrt{5}\).
Nierówności pierwiastkowe rozwiązujemy w podobny sposób jak równania pierwiastkowe. Zwracamy więc uwagę na to, czy nierówność nie jest sprzeczna ze względu na znaki wartości wyrażeń stojących po obu jej stronach. Jeżeli nierówność nie jest sprzeczna, to wyznaczamy jej dziedzinę, pamiętając, że wyrażenie stojące pod pierwiastkiem parzystego stopnia musi być nieujemne. Jeżeli założymy, że \(x\) należy do dziedziny nierówności, pozbywamy się występujących w niej pierwiastków, korzystając z poznanych wcześniej twierdzeń, czyli podnosimy do odpowiedniej potęgi obie strony tej nierówności. Następnie rozwiązujemy otrzymaną równoważną nierówność, pamiętając o zmianie kierunku nierówności przy mnożeniu jej stronami przez liczbę ujemną. Na koniec bierzemy część wspólną zbioru rozwiązań nierówności równoważnej i dziedziny wyjściowej nierówności pierwiastkowej.
Zadanie
Rozwiąż nierówność:
  1. \(\displaystyle \sqrt{x+3}<-4\)
    Ponieważ wyrażenie po lewej stronie nierówności przyjmuje wartości nieujemne, a wyrażenie po prawej stronie nierówności jest ujemne, więc nierówność jest sprzeczna.
  2. \(\displaystyle \sqrt{x-6}>-2\)
    Wyrażenie pod pierwiastkiem parzystego stopnia powinno być nieujemne, więc dziedziną nierówności jest zbiór \(D=\left<6,\infty\right)\). Lewa strona nierówności jest nieujemna, a prawa – ujemna, więc nierówność jest spełniona dla każdego \(x\in D\), czyli rozwiązaniem jest \(x\in \left<6,\infty\right)\).
  3. \(\displaystyle \sqrt{3-x}<5\)
    Wyrażenie pod pierwiastkiem parzystego stopnia powinno być nieujemne, więc dziedziną nierówności jest zbiór \(D=\left(-\infty, 3\right>\). Obie strony nierówności są nieujemne, więc podnosimy je do kwadratu i otrzymujemy równoważną nierówność \[ 3-x<25\quad \Longleftrightarrow\quad x>-22 \] Po uwzględnieniu dziedziny nierówności
    Rysunek przedstawiający rozwiązanie zadania na osi liczbowej.
    otrzymujemy rozwiązanie \(x\in\left(-22,3\right>\).
  4. \(\displaystyle \sqrt{x+4}\gt 3\)
    Wyrażenie pod pierwiastkiem parzystego stopnia powinno być nieujemne, więc dziedziną nierówności jest zbiór \(D=\left<-4,\infty\right>\). Obie strony nierówności są nieujemne, więc podnosimy je do kwadratu i otrzymujemy równoważną nierówność \[ x+4\gt 9\quad \Longleftrightarrow\quad x\gt 5 \] Po uwzględnieniu dziedziny nierówności
    Rysunek przedstawiający rozwiązanie zadania na osi liczbowej.
    otrzymujemy rozwiązanie \(x\in\left(5,\infty\right)\).
  5. \(\displaystyle \sqrt{x^2-x}\lt \sqrt{2}\)
    Wyrażenie pod pierwiastkiem parzystego stopnia powinno być nieujemne, więc dziedziną nierówności jest zbiór: \[\eqalignno{D:\ &x^2-x\geq 0\cr &x(x-1)\geq 0\cr}\] Rysujemy parabolę będącą wykresem funkcji \(y=x(x-1)\).
    Rysunek przedstawiający dziedzinę nierówności na osi liczbowej.
    Z powyższego rysunku odczytujemy, że dziedziną nierówności jest zbiór \(D=\left(-\infty,0\right>\cup\left< 1,\infty\right)\). Obie strony nierówności są nieujemne, więc podnosimy je do kwadratu i otrzymujemy równoważną nierówność: \[ x^2-x\lt 2\] \[ x^2-x-2\lt 0\] \[(x+1)(x-2)\lt 0\] Rysujemy pomocniczą parabolę będącą wykresem funkcji \(y=(x+1)(x-2)\).
    Rysunek przedstawiający pomocniczą parabolę na osi liczbowej.
    Z powyższego rysunku odczytujemy, że \[x\in\left(-1,2\right)\] Po uwzględnieniu dziedziny nierówności
    Rysunek przedstawiający rozwiązanie zadania na osi liczbowej.
    otrzymujemy rozwiązanie \(x\in \left(-1,0\right>\cup\left< 1,2\right)\).
  6. \(\displaystyle \sqrt{x-1\over x+2}<2\)
    Wyrażenie pod pierwiastkiem parzystego stopnia powinno być nieujemne, a jego mianownik nie może być zerem, zatem \[D:\quad \cases{{x-1\over x+2}\geq 0 \cr x+2\neq 0\cr}\] Ponieważ iloraz \({x-1\over x+2}\) ma taki sam znak jak iloczyn \((x-1)(x+2)\), więc rozwiązujemy nierówność kwadratową \[(x-1)(x+2)\geq 0 \quad \hbox{dla} \quad x\neq -2\] Rysujemy parabolę będącą wykresem funkcji \(y=(x-1)(x+2)\) dla \(x\neq -2\).
    Rysunek przedstawiający parabolę z miejscami zerowymi w punktach -2 i 1 oraz ramionami skierowanymi w górę.
    Z rysunku odczytujemy dziedzinę nierówności \(D=\left(-\infty, -2\right)\cup\left<1, \infty\right)\). Ponieważ obie strony nierówności są nieujemne, więc podnosimy je do kwadratu i otrzymujemy równoważną nierówność \[\qquad\qquad {x-1\over x+2}<4 \quad \hbox{dla}\quad x\in D\] \[{x-1\over x+2}-4<0\] Sprowadzamy do wspólnego mianownika \[{x-1\over x+2}-{4(x+2)\over x+2}<0\] \[{x-1-4x-8\over x+2}<0\] \[{-3x-9\over x+2}<0\] Znak ilorazu \({-3x-9\over x+2}\) jest taki sam jak znak iloczynu\((-3x-9)(x+2)\), więc rozwiązujemy nierówność kwadratową \[(-3x-9)(x+2)<0 \] \[-3(x+3)(x+2)<0 \] Rysujemy parabolę będącą wykresem funkcji\(y=-3(x+3)(x+2)\).
    Rysunek przedstawiający parabolę z miejscami zerowymi w punktach -3 i -2 oraz ramionami skierowanymi w dół.
    Z rysunku odczytujemy, że \(x\in\left(-\infty, -3\right)\cup\left(-2, \infty\right)\). Po uwzględnieniu dziedziny nierówności
    Rysunek przedstawiający część wspólną dziedziny i zbioru rozwiązań nierówności kwadratowej.
    otrzymujemy rozwiązanie zadania \[ x\in\left(-\infty, -3\right)\cup\left<1, \infty\right)\]
  7. \(\displaystyle \sqrt{x}\leq 2-x\)
    Wyrażenie pod pierwiastkiem parzystego stopnia powinno być nieujemne, więc dziedziną nierówności jest zbiór \(D=\left<0, \infty\right)\). Aby nierówność nie była sprzeczna, jej prawa strona powinna być nieujemna, czyli \(x\leq 2\). Wtedy obie strony nierówności są nieujemne, więc podnosimy je do kwadratu i otrzymujemy równoważną nierówność \[\qquad\qquad\quad x\leq (2-x)^2\quad \hbox{dla}\quad x\in\left<0,2\right>\] \[x\leq 4-4x+x^2\] \[x^2-5x+4\geq 0\] Rozkładamy trójmian kwadratowy \(x^2-5x+4\) na czynniki \[(x-1)(x-4)\geq 0\] Rysujemy parabolę będącą wykresem funkcji \(y=(x-1)(x-4)\).
    Rysunek przedstawiający parabolę z miejscami zerowymi w punktach 1 i 4 oraz ramionami skierowanymi w górę.
    Z rysunku odczytujemy, że \[x\in \left(-\infty,1\right>\cup\left<4,\infty\right)\] Uwzględniamy warunek \(x\in\left<0,2\right>\)
    Rysunek przedstawiający rozwiązanie zadania na osi liczbowej.
    i otrzymujemy rozwiązanie zadania \(x\in \left<0,1\right>\).
  8. \(\displaystyle \sqrt{x^2+2x-3}\leq x+5\)
    Wyrażenie pod pierwiastkiem parzystego stopnia powinno być nieujemne, więc \[D:\quad x^2+2x-3\geq 0\] \[\qquad\quad (x+3)(x-1)\geq 0\] Rysujemy parabolę będącą wykresem funkcji \(y=(x+3)(x-1)\).
    Rysunek przedstawiający parabolę z miejscami zerowymi w punktach -3 i 1 oraz ramionami skierowanymi w górę.
    Z powyższego rysunku odczytujemy, że dziedziną nierówności jest zbiór \(D=\left(-\infty, -3\right>\cup\left<1, \infty\right)\). Aby nierówność nie była sprzeczna, jej prawa strona powinna być nieujemna, czyli \(x\geq -5\). W dziedzinie nierówności warunek \(x\geq 5\) spełniony jest dla \(x\in \left<-5,-3\right>\cup\left<1,\infty\right)\).
    Rysunek przedstawiający część wspólną dziedziny i warunku zapewniającego niesprzecznosć nierówności.
    Ponieważ dla \(x\in \left<-5,-3\right>\cup\left<1,\infty\right)\) obie strony nierówności są nieujemne, więc podnosimy je do kwadratu i otrzymujemy równoważną nierówność \[x^2+2x-3 < (x+5)^2\] \[x^2+2x-3 < x^2+10x+25\] \[-8x<28\ /:(-8)\] \[x>-{7\over 2}\] Po uwzględnieniu warunku \(x\in \left<-5,-3\right>\cup\left<1,\infty\right)\)
    Rysunek przedstawiający rozwiązanie zadania na osi liczbowej.
    otrzymujemy rozwiązanie zadania \(x\in \left(-{7\over 2},-3\right>\cup\left<1, \infty\right)\).
  9. \(\displaystyle \sqrt{x^2-5x+4}>x\)
    Wyrażenie pod pierwiastkiem parzystego stopnia musi być nieujemne, zatem \[D:\quad x^2-5x+4\geq 0\] \[\qquad\quad (x-1)(x-4)\geq 0\] Rysujemy parabolę będącą wykresem funkcji \(y=(x-1)(x-4)\).
    Rysunek przedstawiający parabolę z miejscami zerowymi w punktach 1 i 4 oraz ramionami skierowanymi w górę.
    Z powyższego rysunku odczytujemy, że dziedziną nierówności jest zbiór \(D=\left(-\infty,1\right>\cup\left<4,\infty\right)\). W zależności od znaku wyrażenia\(x\) stojącego po prawej stronie rozwiązywanej nierówności rozważamy osobno przedziały, w których \(x\) jest ujemny albo nieujemny. Uwzględniając dziedzinę nierówności, mamy dwa przypadki:
    1. \(x<0\ \wedge \ x\in D \ \Longleftrightarrow \ x\in \left(-\infty,0\right)\) Wtedy prawa strona nierówności jest ujemna, a lewa nieujemna, więc nierówność jest spełniona dla każdego \(x\in \left(-\infty,0\right)\).
    2. \(x\geq 0\ \wedge \ x\in D \ \Longleftrightarrow \ x\in \left<0,1\right>\cup\left<4,\infty\right)\) Obie strony nierówności są w tym przypadku nieujemne, więc możemy podnieść je do kwadratu \[x^2-5x+4>x^2\] \[\qquad\quad -5x>-4 \ /:(-5)\] \[x<{4\over 5}\] Skoro \(x\in \left<0,1\right>\cup\left<4,\infty\right)\), to otrzymujemy \(x\in \left<0,{4\over 5}\right)\)
      Rysunek przedstawiający rozwiązanie drugiego warunku.
    Rozwiązaniem nierówności jest suma rozwiązań dla poszczególnych przypadków, czyli \(x\in \left(-\infty,0\right)\cup \left<0,{4\over 5}\right)=\left(-\infty,{4\over 5}\right)\).
  10. \(\displaystyle \sqrt{4-x}>x-2\)
    Dziedziną nierówności jest zbiór \(D=\left(-\infty,4\right>\). Rozważmy dwa przypadki, w~zależności od znaku wyrażenia \(x-2\) stojącego po prawej stronie nierówności:
    1. \(x-2<0\ \wedge\ x\in D\ \Longleftrightarrow \ x\in \left(-\infty,2\right)\) Wtedy prawa strona nierówności jest ujemna i nierówność jest spełniona dla każdego \(x\in \left(-\infty,2\right)\).
    2. \(x-2\geq 0\ \wedge\ x\in D\ \Longleftrightarrow \ x\in \left<2,4\right>\) W tym przypadku obie strony nierówności są nieujemne, więc możemy podnieść je do kwadratu \[4-x>(x-2)^2\] \[4-x>x^2-4x+4\] \[x^2-3x<0\] \[x(x-3)<0\] Rysujemy parabolę będącą wykresem funkcji\(y=x(x-3)\).
      Rysunek przedstawiający parabolę z miejscami zerowymi w punktach 0 i 3 oraz ramionami skierowanymi w górę.
      Z powyższego rysunku odczytujemy, że \(x\in \left(0,3\right)\). Po uwzględnieniu założenia\(x\in\left<2,4\right>\) dla przypadku II otrzymujemy \(x\in \left<2,3\right)\)
      Rysunek przedstawiający rozwiązanie drugiego warunku.
    Rozwiązaniem nierówności jest suma rozwiązań dla poszczególnych przypadków, czyli \(x\in\left(-\infty,2\right)\cup\left<2,3\right)=\left(-\infty,3\right)\).