Квант

48

Как мы решаем уравнение! Исходя из данного уравнения, пишем подряд одно, другое, третье, … — цепочку уравнения, в котором каждое получается из предыдущего преобразования одной или сразу обеих частей, и так до тех пор, пока не получим совсем простое уравнение, решения которого мы уже умем находить. Если при этом все переходы от данного уравнения к следующему «обратимы», т. е. мы видим, что преобразование четвертого уравнения можно получить третье, из третьего — второе, и т. д., то ясно, что последнее процесс уравнения имеет те же корни, что и исходное. Но часто встречаются такие уравнения с радиkalами, логарифмами, тригонометрическими функциями, при решении которых приходит прибегать к довольно сложным преобразованиям, так что при этом «обратный переход» не оченьiden. Если, решая такие уравнения, делать преобразования формулно, не вникая в их смысл, то легко вставить в ошибку: потерять корень или прибрежти лишний. О том, как это бывают и как избежать подобных неприятностей, рассказывается в этой статье.

  1. НЕКОТОРЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

Пусть данные числовых множества XX и YY. Запись X⊂YX \subset Y означает, что каждый элемент множества XX является в то же время элементом множества YY, а в YY могут быть элементы, не принадлежащие множеству XX. Запись x∈Xx \in X (соответственно x∈Xx \in X) означает, что элемент xx принадлежит (не принадлежит) множеству XX.

Условия далее вместе фразы «множество XX состоит из всех действительных чисел xx» используются также обозначение: X={x∣−∞<x<∞}X = \{x| -\infty < x < \infty\}. Аналогично, запись X={x∣x≥3}X = \{x|x \ge 3\} означает, что множество XX состоит из всех таких чисел xx, которые удовлетворяют неравенству x≥3x \ge 3, а запись X={x∣x≠π}X = \{x|x \neq \pi\} означает, что множеству XX принадлежит все действительные числа, за исключением x=πn∗x = \pi n^*).

И, наконец, условия область допустимых значений ОДЗ (напомним, что область

*) Всюду в дальнейшем предполагается, что n,k=0,±1,±2,…n, k=0, \pm 1, \pm 2, \ldots

49

Допустимых значений уравнения f(x)=g(x)f(x)=g(x) называется множество тех xx, при которых функция f(x)f(x) и g(x)g(x) определяны) заданного уравнения обозначать буквой XX, а ОДЗ уравнения, полученного из исходного в результате неокоторого преобразования, — буквой YY.

  1. ОТКУДА БЕРУТСЯ ПОСТОРОННИЕ КОРНИ?

Причина первая — расширение ОДЗ. При решении уравнения постоянно применяется самые различные преобразования. Довольно часто при этом служается так, что ОДЗ уравнения, полученного из исходного в результате неокоторого преобразования, оказывается шире, чем ОДЗ исходного уравнения (фраза «более широкая ОДЗ» означает X⊂YX \subset Y). Расширение ОДЗ может привести к появлению постоянных корней. Дело в том, что полученное уравнение может иметь такие корни, которые, будучи элементами множества YY, не принадлежат множеству XX. Они-то и будут постоянными для исходного уравнения.

Пример 1. Решить уравнение
22−x+12=42x−x2.\frac{2}{2-x} + \frac{1}{2} = \frac{4}{2x-x^2}.
Решение. Запишем прежде всего ОДЗ уравнения (1): X={x∣x≠0;2}X=\{x|x \neq 0;2\}. Приведя к общему знаменателю, получим
4x+2x−x2=8.4x+2x-x^2=8.

Уравнение (2) имеет уже другую ОДЗ: Y={x∣−∞<x<∞}Y=\{x|-\infty < x < \infty\}. Решая уравнение (2), получим два корня: x1=4x_1=4, x2=2x_2=2, причем x1∈Xx_1 \in X, тогда как x2∈Xx_2 \in X, и поэтому x2x_2 является постоянным корнем для уравнения (1). Таким образом, уравнение (1) имеет единственный корень x=4x=4.

Пример 2. Решить уравнение
lg⁡(x2+3x−4)=lg⁡(2x+2).\lg (x^2+3x-4) = \lg (2x+2).
Решение. Решив систему неравенств
{x2+3x−4>0,2x+2>0,\begin{cases} x^2+3x-4 > 0, \\ 2x+2 > 0, \end{cases}
находим ОДЗ уравнения (3): X={x∣x>1}X=\{x|x > 1\}. Потенцируя, преобразуем уравнение (3) в уравнение
x2+3x−4=2x+2x^2+3x-4=2x+2
с более широкой ОДЗ: Y={x∣−∞<x<∞}Y=\{x|-\infty < x < \infty\}. Уравнение (4) имеет два корня: x1=2x_1=2, x2=−3x_2=-3, причем x1∈Xx_1 \in X, а x2∈Xx_2 \in X. Значит, x2x_2 является постоянным корнем для уравнения (3) и, следовательно, уравнение (3) имеет единственный корень x=2x=2.

К рассширению ОДЗ иногда приводит применение неокоторых формул, известных из курса средней шкoles. Это формулы, связанные с различными свойствами логарифмов, радиkalов четной степени, а также неокото-

log⁡af(x)+log⁡ag(x)=log⁡a[f(x)⋅g(x)],\log_a f(x) + \log_a g(x) = \log_a [f(x) \cdot g(x)],
1−cos⁡xsin⁡x=tgx2.\frac{1-\cos x}{\sin x} = \tg \frac{x}{2}.

Нетрудно видеть, что функция, содержащая в правых частях этих равенств, имеет более широкую область определения, чем функция, содержащая в левых частях.

Так, область определения функции log⁡af(x)+log⁡ag(x)\log_a f(x)+\log_a g(x) определяется системой неравенств
{f(x)>0,g(x)>0,\begin{cases} f(x) > 0, \\ g(x) > 0, \end{cases}
тогда как область определения функции log⁡a[f(x)⋅g(x)]\log_a [f(x) \cdot g(x)] состоит из решений системы (7) и решений еще одной системы неравенств
{f(x)<0,g(x)<0.\begin{cases} f(x) < 0, \\ g(x) < 0. \end{cases}

Области определения функции 1−cos⁡xsin⁡x\frac{1-\cos x}{\sin x} такова: X={x∣x≠πn}X=\{x|x \neq \pi n\}. Функция же tgx2tg \frac{x}{2} имеет более широкую область определения: X={x∣x≠π(2k+1)}X=\{x|x \neq \pi(2k+1)\}. Поэтому применение при решении уравнения формул (5), (6) и им подобных «слева направо» может привести к появлению постоянных корней.

Пример 3. Решить уравнение
1−cos⁡xsin⁡x+tg3x2=0.\frac{1-\cos x}{\sin x} + \tg^3 \frac{x}{2} = 0.

Решение. Запишем ОДЗ уравнения (8): X={x∣x≠πn}X=\{x|x \neq \pi n\}. Применя формулу (6), получим уравнение
tgx2+tg3x2=0tg \frac{x}{2} + \tg^3 \frac{x}{2} = 0

с более широкой ОДЗ: Y={x∣x≠π(2k+1)}Y=\{x|x \neq \pi(2k+1)\}. Решениями уравнения (9) служат значения x=2πnx=2\pi n. Все эти значения не входят в ОДЗ уравнения (8), а потому являются постоянными корнями. Таким образом, уравнение (8) не имеет решений.

Причина вторя — умиожение обеих частей уравнения на одну и ту же функцию. Пусть дану уравнение
f(x)=g(x).f(x)=g(x).
Умножим обе части на функцию h(x)h(x). Поучим уравнение
f(x)⋅h(x)=g(x)⋅h(x),f(x)\cdot h(x)=g(x)\cdot h(x),
корнями которого служат как корни уравнения (10), так и корни уравнения h(x)=0h(x)=0 (или, как еще говорят, корни функции h(x)h(x). Средние этих последних могут оказаться также корни, которые не удовлетворяют уравне-

50

(10), то есть является для него построением (кстати, в примере 1 обе части уравнения (1) были умножены на одну и ту же функцию 2x(2−x)2x(2-x). В результате появился построенный корень x=2x=2, но мы обязаны его появление расширенем ОДЗ).

Пример 4. Решить уравнение

x=(1+x+1)(10+x−4).x = (\sqrt{1+x} + 1)(\sqrt{10+x} - 4).

Решение. Запишем ОДЗ уравнения (12): X={x∣x≥−1}X = \{x|x \geq -1\}. Умножим обе части уравнения на функцию h(x)=1+x−1h(x) = \sqrt{1+x} - 1. После преобразования получим уравнение x(1+x−10+x+3)=0x(\sqrt{1+x} - \sqrt{10+x} + 3) = 0, имеющее 2 корня: x1=0x_1 = 0, x2=−1x_2 = -1 (заметим, что расширенная ОДЗ не произойдет). Оба корня принадлежат множеству XX, тем не менее проверка убедает нас в том, что x1=0x_1 = 0 — построенный корень (нетрудно видеть, что x=0x = 0 — корень функции h(x)h(x)). Таким образом, уравнение (12) имеет единственный корень x=−1x = -1.

Причина третья — возведение обеих частей уравнения в центральном Рассмотрим уравнение (10). Возведем обе части этого уравнения в квадрат. Получим уравнение [f(x)]2=[g(x)]2[f(x)]^2 = [g(x)]^2, корнями которого служат как корни уравнения (10), так и корни «постороннего» уравнения f(x)=−g(x)f(x) = -g(x). Средние этих последних могут оказаться также корни, которые не удовлетворяют исходному уравнению (10). Они-то и будут построенными для уравнения (10).

Пример 5. Решить уравнение

2x+5+x−1=8.\sqrt{2x+5} + \sqrt{x-1} = 8.

Решение. Запишем ОДЗ уравнения (13): X={x∣x≥1}X = \{x|x \geq 1\}. Возведем обе части уравнения в квадрат. После преобразования получим

22x2+3x−5=60−3x2\sqrt{2x^2 + 3x} - 5 = 60 - 3x

и далее

4(2x2+3x−5)=(60−3x)2,4(2x^2 + 3x - 5) = (60 - 3x)^2,

откуда x1=10x_1 = 10, x2=362x_2 = 362. Следовательно найденных решений, заменаем, что лишь x1=10x_1 = 10 удовлетворяет уравнению (13), тогда как x2=362x_2 = 362 — построенный корень (хотя и принадлежит ОДЗ уравнения (10). Посторонний корень появился в результате возведения в квадрат обеих частей уравнения (14).

  1. ЧТО ПРИВОДИТ К ПОТЕРЕ КОРНЕЙ?

Причина первая — сужение ОДЗ. Встречаются и такие преобразования, которые приводят к уравнению с более узкой ОДЗ. Сужение ОДЗ может привести к потере корней, а именно, могут «потерять» такие корни исходного уравнения, которые принадлежали множеству XX, но не принадлежат «более узком» множеству YY, (Y⊂X)(Y \subset X).

Пример 6. Решить уравнение

tg(x+π4)=2ctgx−1.\text{tg} \left( x + \frac{\pi}{4} \right) = 2 \text{ctg} x - 1.

Решение. Преобразуем уравнение (12) к виду

tgx+tgπ41−tgx⋅tgπ4=2tgx−1.\frac{\text{tg} x + \text{tg} \frac{\pi}{4}}{1 - \text{tg} x \cdot \text{tg} \frac{\pi}{4}} = \frac{2}{\text{tg} x} - 1.

Положив y=tgxy = \text{tg} x, приdem к алгебраическому уравнению относительно yy, решив которое, получим y=12y = \frac{1}{2}, то есть x=arctg12+πkx = \text{arctg} \frac{1}{2} + \pi k.

Но проверка убедает нас в том, что значения x=π2+πnx = \frac{\pi}{2} + \pi n также удовлетворяют уравнению (15). Когда же мы успели потерять эти корни? Сравним ОДЗ уравнения (14) и (15). Х состоит из всех значений xx, за исключением тех, при которых ctgxctg x и tg(x+π4)\text{tg} \left( x + \frac{\pi}{4} \right) не существует. Значит,

X={x∣x≠πn,x≠π4+πn}.X = \left\{ x \mid x \neq \pi n, x \neq \frac{\pi}{4} + \pi n \right\}.

ОДЗ уравнения (16) — YY — состоит из всех значений xx, за исключением тех, при которых ctgx=0ctg x = 0, tgx=1\text{tg} x = 1 и tgx\text{tg} x не существует. Значит,

Y={x∣x≠πn,x≠π4+πn}.Y = \left\{ x \mid x \neq \pi n, x \neq \frac{\pi}{4} + \pi n \right\}.

Отсюда следует, что Y⊂XY \subset X, то есть ОДЗ уравнения (16) уже, чем ОДЗ уравнения (15). Значения x=π2+πnx = \frac{\pi}{2} + \pi n принадлежат множеству XX, но не принадлежат множеству корнями исходного уравнения.

Теперь возникает один важный вопрос: что приведо к сужению ОДЗ? Анализ решения примера 6 показывает, что к сужению ОДЗ приведо использовать формулы тангенса суммы, в нашем примере формула принадлежали множеству XX, но не принадлежат «более узком» множеству YY, (Y⊂X)(Y \subset X).

Причина вторя — деление обеих частей уравнения на одну и ту же функцию. Пусть x1x_1 — корень уравнения (11), но совсем не обязаельно удовлетворяет уравнению (10). Таким образом,