• Nie Znaleziono Wyników

Wykonaj mnożenie wielomianów:

Sposób II. Rozpatrujemy trzy przypadki w zależności od tego, jaką resztę przy dzieleniu przez 5 daje liczba n

21. Wykonaj mnożenie wielomianów:

Teraz wystarczy pomnożyć obie strony przez an i uprościć ułamek po prawej stronie.

Można zadać pytanie, która metoda wyprowadzenia tych wzorów jest lepsza. Czy zaob-serwować wzory na różnicę potęg i wyprowadzić z nich wzór

1 + b + b2+ . . . + bn−2+ bn−1+ bn=1 − bn+1 1 − b ,

czy odwrotnie — najpierw wyprowadzić ten ostatni wzór i z niego wzór na różnicę po-tęg. Zdecydowanie opowiadam się za sposobem pierwszym. Uczę stawiania hipotez: do-strzegania prawidłowości i formułowania ich w postaci wniosku ogólnego. Drugi sposób wyprowadzenia kiedyś pokażę (albo zrobi to ktoś inny w liceum). Nie stracimy tego, zyskamy za to pewną rzadko ćwiczoną umiejętność rozumowania.

Jednym z zadań, które daję uczniom, jest zadanie polegające na wyprowadzeniu innych wzorów skróconego mnożenia, np. wzoru na kwadrat sumy wielu składników:

21. Wykonaj mnożenie wielomianów:

a) (a + b + c)2,

b) (a + b + c)(a + b − c), c) (a + b − c)(a − b + c),

d) (a + b − c)(a − b + c)(−a + b + c),

e) (a + b + c)(a + b − c)(a − b + c)(−a + b + c), f) (a + b + c)3,

g) (a + b + c + d)2, h) (a + b + c + d)3.

Te wzory są podstawą do ciekawego ćwiczenia. Popatrzmy na pierwszy wzór: mamy obliczyć iloczyn

(a + b + c)2= (a + b + c) · (a + b + c).

Znamy regułę mnożenia: każdy wyraz przez każdy. Spróbujmy teraz wyobrazić sobie, jak wygląda iloczyn. Będą w nim kwadraty: a2, b2 i c2. Kwadrat a2 powstaje przez pomnożenie a z pierwszego czynnika przez a z drugiego czynnika; podobnie inne kwadraty.

A jak powstaje iloczyn ab? Są dwa sposoby: a z pierwszego czynnika i b z drugiego lub na odwrót. W iloczynie mamy zatem trzy kwadraty i 6 iloczynów: dwa ab, dwa ac i dwa bc. Razem 9 składników, czyli tyle, ile miało być: 3 · 3 = 9. A więc, bez wykonywania obliczeń na papierze czy na tablicy, widzimy wynik: a2+ b2+ c2+ 2ab + 2ac + 2bc.

Takie ćwiczenie można przeprowadzić dla kwadratu czterech składników; uczniowie do-strzegają regułę ogólną. Kwadrat sumy jest równy sumie kwadratów składników plus suma wszystkich podwojonych iloczynów. Możemy oczywiście drążyć temat dalej i za-stanawiać się z uczniami, ile jest tych podwojonych iloczynów. W ten sposób zbliżamy się do kombinatoryki; potrzeba zastanawiania się nad takimi pytaniami staje się widoczna.

O tym, jak uczę kombinatoryki, piszę w innym rozdziale.

Wreszcie, podobne rozumowanie można z uczniami przeprowadzić dla sześcianu sumy trzech liczb. Tu problemy będą większe: trzeba na przykład obliczyć, ile razy wystąpi

składnik abc. Ale wielu uczniów potrafi całe rozumowanie przeprowadzić poprawnie. Za-chęcam do takich zadań; ćwiczenie czegoś, co można nazwać wyobraźnią formalną, alge-braiczną, również jest ważną umiejętnością matematyczną.

Proszę uczniów o obliczenie kwadratów prostych wyrażeń liniowych, na przykład:

(2x − 3)2= 4x2− 12x + 9.

Główny cel takich zadań to rozwinięcie umiejętności wykonywania czynności odwrot-nej: zwijania trójmianów do kwadratu. Takie zadania też daję moim uczniom. Podobne umiejętności ćwiczę na wyrażeniach zawierających pierwiastki; daję zadania polegające na podniesieniu do kwadratu

(5 − 3√

2)2= 25 − 30√

2 + 18 = 43 − 30√ 2,

a także na rozpoznaniu kwadratu. Przykładem może być rozpoznanie, że liczba 3 + 2 2

Takie zadania zdarzały się na zawodach matematycznych. Zadanie polegające na wyka-zaniu, że liczba

jest naturalna, może być rozwiązane dwoma sposobami. Jeden polega na podniesieniu jej do kwadratu:

Ponieważ liczba x jest dodatnia, więc x = 6. Drugi sposób polega na zauważeniu, że liczby podpierwiastkowe są kwadratami:

Wzory skróconego mnożenia są wykorzystywane do rozkładania wyrażeń na czynniki.

Tego tematu nie będę tu rozwijał; w prawie każdym zbiorze zadań z algebry znajduje się wiele zadań na ten temat.

Jednym z zastosowań wzorów skróconego mnożenia jest rozwiązywanie równań kwadra-towych. Nie wyprowadzam wzorów ogólnych na pierwiastki ani nie przeprowadzam dys-kusji rozwiązalności w zależności od znaku wyróżnika ∆. Pokazuję na przykładach, jak takie równania można rozwiązać tzw. metodą uzupełniania do kwadratu. Popatrzmy na przykład; rozwiążemy równanie

x2+ 8x + 15 = 0.

Patrzymy na pierwsze dwa składniki: x2+8x. Zauważamy, że są to pierwsze dwa składniki kwadratu

(x + 4)2= x2+ 8x + 16.

Zatem do obu stron równania dodajemy 1:

x2+ 8x + 16 = 1, (x + 4)2= 1.

Teraz mamy dwie możliwości:

x + 4 = 1 lub x + 4 = −1.

Pierwsza możliwość daje x1= −3, druga daje x2 = −5. Zwracam uwagę, że otrzymali-śmy dwa rozwiązania. Pokazuję również przykład, gdy równanie kwadratowe ma jedno rozwiązanie oraz gdy nie ma rozwiązania.

Zauważmy, że uczniowie widzą już dwie metody rozwiązywania prostych równań kwadra-towych. Oprócz metody uzupełniania do kwadratu, znają metodę rozkładu na czynniki.

Rozkład

x2+ 8x + 15 = (x + 3)(x + 5) można łatwo odgadnąć.

Uważam, że również w liceum warto najpierw pokazać metodę uzupełniania do kwadratu, a potem wyprowadzić wzory; uczniowie lepiej rozumieją, skąd się te wzory wzięły.

Pokazuję jeszcze jedno zastosowanie wzorów skróconego mnożenia do rozwiązywania rów-nań; tym razem są to pewne układy równań. A oto zadania:

22. Udowodnij, że (a + b)2− (a − b)2= 4ab oraz, korzystając z tego wzoru, znajdź liczby rzeczywiste a i b takie, że:

a) a + b = 7, ab = 12, b) a + b = 9, ab = 8,

c) a − b = 2, ab = 35, d) a − b = −1, ab = 20.

23. Przedstaw liczby a i b w postaci a = s + t, b = s − t dla odpowiednio dobranej liczby s, a następnie korzystając ze wzoru: (s + t)(s − t) = s2− t2, znajdź liczby rzeczywiste a i b takie, że:

a) a + b = −6, ab = 8, b) a + b = 4, ab = 4,

c) a + b = 6, ab = 10, d) a + b = 2, ab = 2.

24. Przedstaw liczby a i b w postaci a = s + t, b = s − t dla odpowiednio dobranej liczby s, a następnie korzystając ze wzoru: (s+t)2+(s−t)2= 2(s2+t2), znajdź liczby rzeczywiste a i b takie, że:

a) a + b = 7, a2+ b2= 25, b) a + b = 7, a2+ b2= 29, c) a + b = 10, a2+ b2= 68, d) a + b = 10, a2+ b2= 178.

Popatrzmy też na przykładowe rozwiązania. Niech a + b = 7 i ab = 12. Te liczby pod-stawmy do wzoru

(a + b)2− (a − b)2= 4ab.

Mamy

72− (a − b)2= 4 · 12,

skąd dostajemy (a−b)2= 1. Teraz większość uczniów pisze, że a−b = 1 i szybko znajdują jedno rozwiązanie:

a = 4, b = 3.

Należy uświadomić uczniom, że istnieje także druga możliwość: a − b = −1, prowadząca do rozwiązania symetrycznego:

a = 3, b = 4.

Inny sposób rozwiązania polega na zauważeniu, że jeśli a + b = 7, to a można zapisać w postaci a = 3,5 + x dla pewnego x, a b można zapisać w postaci b = 3,5 − x dla tej samej liczby x. Mówiąc inaczej, liczby a i b różnią się od 3,5 o tyle samo: jedna na plus, druga na minus. Mamy wtedy

(3,5 + x) · (3,5 − x) = 12, czyli

(3,5)2− x2= 12.

Teraz dostajemy

x2= (3,5)2− 12 = 0,25.

Zatem x = ±0,5 i stąd dostajemy oba rozwiązania. Wreszcie, jeśli wiemy, że a2+b2= 25, to w tej drugiej metodzie dostaniemy równanie

(3,5 + x)2+ (3,5 − x)2= 25, czyli

2 (3,5)2+ x2 = 25.

Rozwiązując to równanie otrzymamy znów x2 = 0,25 i dostaniemy znane nam już roz-wiązania.

Znajdowanie liczb a i b, jeśli znane są ich suma i iloczyn, pozwala oczywiście rozkładać na czynniki trójmiany kwadratowe, a więc także rozwiązywać równania kwadratowe.

Uczniowie widzą teraz dwie metody rozwiązywania równań kwadratowych i tylko maleńki krok dzieli ich od zauważenia, że znalezienie rozwiązań równania i rozłożenie trójmianu na czynniki to zagadnienia w istocie równoważne.

Dowodzenie nierówności

Ostatnim zastosowaniem wzorów skróconego mnożenia, które pokazuję moim uczniom, jest dowodzenie nierówności. Nierówności występują bardzo często w zadaniach olimpij-skich na każdym poziomie (zarówno w OMG, jak i w OM). Umiejętność dowodzenia nierówności jest wielką sztuką, której poświęcono wiele książek ([Kourliandtchik], [Mitri-nović]) oraz zbiorów zadań (dla gimnazjalistów na przykład [Kubica-Szymczyk]).

Zaczynam od podania podstawowych własności relacji mniejszości w zbiorze liczb

Te własności podaję uczniom bez dowodu; można powiedzieć, że są to aksjomaty nierów-ności. Krótko je omawiam i pokazuję, że niektóre można łatwo uogólnić; na przykład, można udowodnić własności analogiczne do 5) i 6) dla wyższych potęg. Teraz przystę-pujemy do dowodzenia nierówności. Zaczynam od porównywania liczb zapisanych za pomocą pierwiastków. Popatrzmy na kilka przykładów.