فيديو الدرس: حل المعادلات التربيعية باستخدام التمثيلات البيانية الرياضيات

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نمثل دالة تربيعية على الصورة ﺩﺱ يساوي ﺃﺱ تربيع زائد ﺏﺱ زائد ﺟ بيانيًّا لحل المعادلة ﺩﺱ يساوي صفرًا.

هيا نبدأ بتذكر ما نعرفه عن التمثيلات البيانية للدوال التربيعية. إنها تتخذ شكل القطع المكافئ. ونحصل على اتجاه هذا القطع المكافئ من معامل ﺱ تربيع. على وجه التحديد، إذا كان معامل ﺱ تربيع، أي ﺃ، أكبر من صفر، يكون لدينا قطع مكافئ على شكل حرف ‪u‬‏، وإذا كان ﺃ أقل من صفر، يكون لدينا قطع مكافئ على شكل حرف ‪n‬‏. بعبارة أخرى، إذا كان معامل ﺱ تربيع سالبًا، يكون لدينا قطع مكافئ معكوس. وفي الحقيقة، يمكننا أيضًا رسم هذا النوع من التمثيلات البيانية بحساب النقاط التي يقطع عندها المنحنى المحورين ﺱ وﺹ. ويمكننا إيجاد قيم النقاط التي تقطع عندها التمثيلات البيانية المحورين ﺱ وﺹ بأن نجعل ﺹ يساوي صفرًا وﺱ يساوي صفرًا على الترتيب، ثم نحل المعادلة الناتجة أو نقوم بالتبسيط.

وتحديدًا، للدالة التربيعية المعطاة على الصورة ﺩﺱ يساوي ﺃﺱ تربيع زائد ﺏﺱ زائد ﺟ، إذا كان للمعادلة ﺃﺱ تربيع زائد ﺏﺱ زائد ﺟ يساوي صفرًا حلان مختلفان، ﺱ يساوي ﺱ واحد وﺱ يساوي ﺱ اثنين، فإن نقاط التقاطع تكون عند ﺱ واحد وﺱ اثنين، كما هو موضح هنا. وهذا مهم للغاية عندما يتعلق الأمر باستخدام التمثيلات البيانية لهذه الدوال في حل المعادلات. بما أنه يمكن إيجاد النقاط التي يقطع عندها منحنى الدالة ﺹ يساوي ﺩﺱ المحور ﺱ عن طريق حل المعادلة ﺩﺱ يساوي صفرًا، فسوف يكون العكس صحيحًا. ومن ثم، يمكن إيجاد حلول المعادلة ﺩﺱ يساوي صفرًا بتحديد النقاط التي يقطع عندها المنحنى المحور ﺱ.

وبالطبع، في حالة التمثيلات البيانية التربيعية تحديدًا، سيكون الوضع مختلفًا بعض الشيء عن ذلك. عرفنا للتو أنه إذا كان منحنى الدالة التربيعية يقطع محور الإحداثي ﺱ عند نقطتين مختلفتين، هما ﺱ واحد وﺱ اثنان، فإن معادلة ﺩﺱ يساوي صفرًا لها حلان مختلفان. لكن هناك حالات يكون فيها للمعادلة حل واحد، يسمى أحيانًا الجذر المتكرر، وربما لا يكون لها حلول على الإطلاق. ومرة أخرى، يمكن التعرف على هذه الحالات بسرعة بالنظر إلى التمثيل البياني للدالة. يوجد الجذر المتكرر عندما يكون المحور ﺱ مماسًّا للمنحنى. بعبارة أخرى، يمس المنحنى المحور ﺱ مرة واحدة فقط.

وفي الواقع، إن الحل الوحيد للمعادلة ﺩﺱ يساوي صفرًا، في هذه الحالات، يناظر موضع رأس المنحنى. والآن، إذا لم يكن المنحنى يقطع المحور ﺱ على الإطلاق، فإن المعادلة ﺩﺱ يساوي صفرًا لن يكون لها جذور حقيقية. وبعبارة أخرى، تكون للدالة مخرجات موجبة فقط، كما يبدو هنا، أو يكون لها مخرجات سالبة تمامًا، كما هنا. وبوضع كل ذلك في الحسبان، سوف نشرح كيف نستخدم التمثيل البياني التربيعي لحل معادلة تربيعية.

يوضح الشكل التمثيل البياني للدالة ﺹ يساوي ﺩﺱ. ما مجموعة حل المعادلة ﺩﺱ يساوي صفرًا؟

تذكر أنه بمعلومية التمثيل البياني للمعادلة التربيعية ﺩﺱ يساوي ﺃﺱ تربيع زائد ﺏﺱ زائد ﺟ، فإن حلول المعادلة التربيعية ﺩﺱ يساوي صفرًا تناظر قيم النقاط التي يقطع عندها المنحنى المحور ﺱ. إذن، كل ما علينا فعله هو تحديد موضع النقاط التي يقطع عندها المنحنى المحور ﺱ في التمثيل البياني. وعند تحديد موضع هذه النقاط، نجد أن هناك جزءًا واحدًا فقط يتقاطع مع المحور ﺱ. وهو سالب اثنين. وعليه، فلا يوجد سوى حل واحد للمعادلة ﺩﺱ يساوي صفرًا. وهو ﺱ يساوي سالب اثنين. وفي الواقع، كان المطلوب منا إيجاد مجموعة الحل للمعادلة ﺩﺱ تساوي صفرًا. إذن، باستخدام ترميز المجموعة، يكون الحل هو المجموعة التي تحتوي على العنصر الوحيد سالب اثنين.

في المثال التالي، سنرى كيف يمكننا إجراء العملية نفسها إذا كان منحنى الدالة قطعًا مكافئًا معكوسًا، بعبارة أخرى، إذا كان معامل ﺱ تربيع سالبًا.

يوضح المخطط التالي التمثيل البياني للدالة ﺹ يساوي ﺩﺱ. ما مجموعة حل المعادلة ﺩﺱ يساوي صفرًا.

تذكر أنه إذا كان لدينا التمثيل البياني للدالة ﺩﺱ، فإن حلول المعادلة ﺩﺱ يساوي صفرًا تناظر قيم النقاط التي يقطع عندها المنحنى المحور ﺱ. ومع أننا نستخدم هذه العملية لإيجاد حلول المعادلات التربيعية، فإن هذه الطريقة صالحة مع معادلات أي دالة على الصورة ﺩﺱ يساوي صفرًا.

إذن، كل ما علينا فعله هو إيجاد موضع النقاط التي يقطع عندها المنحنى المحور ﺱ. لدينا موضعان. أحدهما هنا، والآخر هنا. وهما النقطتان التي يمر عندهما المنحنى بالمحور ﺱ. بما أن هذا يحدث عند سالب اثنين واثنين، يمكننا القول إن حلي معادلة ﺩﺱ يساوي صفرًا هما: ﺱ يساوي سالب اثنين وﺱ يساوي اثنين. وكان المطلوب منا إيجاد مجموعة الحل. إذن، نستخدم ترميز المجموعة كما هو موضح. مجموعة حل المعادلة ﺩﺱ يساوي صفرًا هي المجموعة التي تحتوي على العنصرين سالب اثنين واثنين.

سنتناول مثالًا آخر لهذه الصورة.

يوضح التمثيل البياني الدالة ﺩﺱ يساوي ﺱ تربيع ناقص اثنين ﺱ زائد ثلاثة. ما مجموعة حل ﺩﺱ يساوي صفرًا.

إذا كان لدينا منحنى دالة ما ﺹ يساويﺩﺱ، فإن حلول المعادلة ﺩﺱ يساوي صفرًا تناظر قيم النقاط التي يقطع عندها المنحنى المحور ﺱ إن وجدت. وما لم يكن هناك نقاط يقطع عندها المنحنى المحور ﺱ، فلن يكون هناك حل للمعادلة ﺩﺱ يساوي صفرًا. الآن في هذه المسألة، لدينا منحنى الدالة ﺩﺱ يساوي ﺱ تربيع ناقص اثنين ﺱ زائد ثلاثة، ومطلوب حل ﺩﺱ يساوي صفرًا، أو بعبارة أخرى، ﺱ تربيع ناقص اثنين ﺱ زائد ثلاثة يساوي صفرًا.

لكن إذا نظرنا جيدًا، فسوف نلاحظ عدم وجود مواضع يتقاطع فيها المنحنى، وهو الرسم الأخضر هنا، مع المحور ﺱ. وعليه، فليس هناك أي حلول حقيقية لمعادلة ﺩﺱ يساوي صفرًا. ولأجل استخدام ترميز المجموعة، علينا إيجاد طريقة توضح عدم وجود قيم داخل المجموعة. إذن، نستخدم الرمز الموضح. وهو رمز المجموعة الخالية أو المجموعة الفارغة.

في الأمثلة التي تناولناها حتى الآن، كان لدينا التمثيل البياني لدالة ما ﺩﺱ. وهذا قد سمح لنا بتحديد المواضع التي يتقاطع فيها منحنى الدالة مع المحور ﺱ. ومن ثم، سمحت لنا هذه المعطيات بكتابة جذور الدالة، وبعبارة أخرى الحلول، بدلالة مجموعة الحلول المرتبطة التي يمكن أن تحتوي إما على عنصرين مختلفين، أو على عنصر واحد، أو لا تحتوي على أي عنصر مطلقًا. وفي حالة وجود عنصر واحد فقط، يكون موقع الجذر مشتركًا مع الرأس الوحيد للدالة. حسنًا، لا تعطينا الأسئلة دائمًا التمثيل البياني للدالة التربيعية. ولن يكون من الواضح دائمًا كيفية إيجاد حلول دقيقة. في المثال التالي، سنمثل الدالة التربيعية بيانيًّا ونستخدم ذلك لتقدير حلول المعادلة.

ارسم منحنى الدالة التربيعية ﺩﺱ يساوي اثنين ﺱ تربيع زائد ثلاثة ﺱ ناقص واحد في الفترة ﺱ يساوي سالب ثلاثة وﺱ يساوي واحدًا باستخدام قيم صحيحة لـ ﺱ. وباستخدام هذا المنحنى، قدر حلول المعادلة ﺩﺱ يساوي صفرًا. وقرب إجاباتك لأقرب عدد صحيح.

لرسم منحنى دالة ما، نبدأ برسم جدول قيم. وبما أننا نرسم المنحنى في الفترة ﺱ يساوي سالب ثلاثة وﺱ يساوي واحدًا، مع استخدام القيم الصحيحة، فسوف نستخدم ﺱ يساوي سالب ثلاثة، سالب اثنين، سالب واحد، صفرًا، واحدًا. ولإيجاد القيمة المخرجة المناظرة، أي قيمة ﺩﺱ، نعوض بكل من قيم ﺱ في الدالة اثنين ﺱ تربيع زائد ثلاثة ﺱ ناقص واحد. وينتج عن هذا مجموعة من الأزواج المرتبة التي تحقق الدالة التي لدينا.

هيا نبدأ بحساب قيمة الدالة عندما يساوي ﺱ سالب ثلاثة، بعبارة أخرى ﺩ لسالب ثلاثة. نعوض عن كل ﺱ بسالب ثلاثة، فنحصل على اثنين في سالب ثلاثة تربيع زائد ثلاثة في سالب ثلاثة ناقص واحد. ويخبرنا ترتيب العمليات الحسابية بحساب الأس أولًا في هذه المسألة. سالب ثلاثة تربيع يساوي تسعة. ثم نحسب اثنين في تسعة، ما يساوي ١٨، وثلاثة في سالب ثلاثة، ما يساوي سالب تسعة. إذن، يصبح الناتج ١٨ ناقص تسعة ناقص واحد، وهو ما يساوي ثمانية. إذن ﺩ لسالب ثلاثة يساوي ثمانية.

الآن نكرر هذه العملية مع ﺱ يساوي سالب اثنين. وبذلك نحصل على التعبير اثنين في سالب اثنين تربيع. بالطبع، سالب اثنين تربيع يساوي أربعة. ثم نضيف ثلاثة في سالب اثنين ناقص واحد. يعطينا ذلك ثمانية ناقص ستة ناقص واحد، وهو ما يساوي واحدًا. بعد ذلك، ﺱ يساوي سالب واحد. قيمة الدالة هي اثنان في سالب واحد تربيع زائد ثلاثة في سالب واحد ناقص واحد. وبما أن سالب واحد تربيع يساوي واحدًا، يصبح لدينا اثنين ناقص ثلاثة ناقص واحد، وهو ما يساوي سالب اثنين. وعلى نحو مشابه، عندما يساوي ﺱ صفرًا، تكون قيمة الدالة سالب واحد. وعندما يساوي ﺱ واحدًا، فإن ﺩﺱ يساوي أربعة.

إذن، يصبح لدينا خمسة أزواج مرتبة. لدينا سالب ثلاثة، ثمانية؛ وسالب اثنين، واحد؛ وسالب واحد، سالب اثنين؛ وصفر، سالب واحد؛ وواحد، أربعة. وسنمثلها بالترتيب. سالب ثلاثة، ثمانية هنا. وسالب اثنين، واحد هنا. ثم لدينا سالب واحد، سالب اثنين؛ وصفر، سالب واحد؛ وواحد، أربعة.

لكن تذكر أن هذه القيم المخرجة لا تتزايد خطيًّا. إذن، علينا توصيلها بمنحنى أملس بدلًا من خط مستقيم. وهكذا نحصل على التمثيل البياني للدالة. وتذكر أننا نحاول استخدام هذا التمثيل البياني لإيجاد حلول للمعادلة ﺩﺱ يساوي صفرًا. والآن، إذا كانت هذه الحلول موجودة، فإنها تناظر قيم النقاط التي يقطع عندها المنحنى المحور ﺱ. ويبدو أنها تقع تقريبًا عند ﺱ يساوي سالب ١٫٨ وﺱ يساوي ٠٫٢. بالتقريب لأقرب عدد صحيح، يكون تقدير حلول المعادلة ﺩﺱ يساوي صفرًا هو ﺱ يساوي سالب اثنين وﺱ يساوي صفرًا.

في الواقع، ليس من الضروري أن يعطى لنا التمثيل البياني، أو نرسمه، لإيجاد حلول ﺩﺱ يساوي صفرًا. فنحن نعلم أن الحلول تناظر نقاط التقاطع مع المحور ﺱ، التي تسمى أحيانًا أصفار الدالة. ومن ثم، بمعلومية هذه القيم أو إحداثيات نقاط التقاطع مع المحور ﺱ، يمكننا تحديد مجموعة حل المعادلة ﺩﺱ يساوي صفرًا. في المثال التالي، سنوضح شكل ذلك.

إذا كان منحنى الدالة التربيعية ﺩ يقطع المحور ﺱ في النقطتين سالب ثلاثة، صفر وسالب تسعة، صفر، فما مجموعة حل ﺩﺱ تساوي صفرًا في مجموعة الأعداد الحقيقية؟

تذكر أنه إذا كان لدينا منحنى دالة، يمكننا إيجاد حلول ﺩﺱ يساوي صفرًا بتحديد مواضع النقاط التي يقطع عندها المنحنى المحور ﺱ أو أصفار الدالة. وفي هذه المسألة، ليس لدينا تمثيل بياني، لكننا نعلم إحداثيات النقاط التي تتقاطع عندها الدالة مع المحور ﺱ. وهي سالب ثلاثة، صفر، وسالب تسعة، صفر. وبما أن العدد الأول في كل زوج مرتب يناظر قيمة ﺱ هنا، يمكننا القول إن حلي معادلة ﺩﺱ يساوي صفرًا هما: ﺱ يساوي سالب ثلاثة وﺱ يساوي سالب تسعة. وباستخدام ترميز المجموعة، فإن مجموعة حل ﺩﺱ يساوي صفرًا في مجموعة الأعداد الحقيقية هي المجموعة التي تحتوي على العنصرين سالب ثلاثة وسالب تسعة.

والآن قد أوضحنا بطرق متنوعة كيفية إيجاد حلول المعادلة ﺩﺱ يساوي صفرًا بمعلومية التمثيل البياني للدالة ﺩﺱ. هيا نلخص النقاط الرئيسية التي وردت في هذا الدرس.

رأينا أن حلول المعادلة ﺩﺱ يساوي صفرًا، إذا كانت موجودة، يمكن إيجادها عن طريق تحديد مواضع النقاط التي يقطع عندها منحنى ﺹ يساوي ﺩﺱ المحور ﺱ. وعرفنا كذلك أنه إذا كان المحور ﺱ مماسًّا للمنحنى، فسيكون لدينا جذر متكرر. وهو جذر واحد فقط. وهذه النقطة هي في الواقع رأس المنحنى أيضًا. وأخيرًا، رأينا أيضًا أن بوسعنا رسم تمثيلات بيانية أو منحنيات تربيعية باستخدام جدول قيم. ويمكننا بعد ذلك استخدام هذا التمثيل البياني لتعيين نقاط تقريبية يتقاطع فيها المنحنى مع المحور ﺱ؛ ومن ثم الحلول أو جذور هذه المعادلة التربيعية.