Εφαρμογές Μαθηματικών · Άλγεβρα · Κεφ. 1 · §1.5
Αξιοσημείωτες ταυτότητες
Με απλά λόγια
Ένα τετράγωνο με πλευρά α + β μπορείς να το σχεδιάσεις σαν ένα μεγάλο τετράγωνο φτιαγμένο από μικρότερα κομμάτια: ένα τετράγωνο πλευράς α, ένα τετράγωνο πλευράς β, και ανάμεσά τους δύο ίδια ορθογώνια αβ.
Το εμβαδόν του μεγάλου τετραγώνου είναι το άθροισμα όλων των κομματιών: το τετράγωνο α², το τετράγωνο β², και δύο φορές το ορθογώνιο αβ. Αυτό γράφεται (α + β)² = α² + 2αβ + β², μια αξιοσημείωτη ταυτότητα: ένα έτοιμο αποτέλεσμα, που δεν χρειάζεται να ξαναϋπολογίζεις κάθε φορά.
Οι άλλες τρεις ταυτότητες της σελίδας δουλεύουν με τον ίδιο τρόπο, κόβοντας ένα σχήμα σε κομμάτια: το (α − β)² αφαιρεί κομμάτια αντί να προσθέτει, το (α + β)(α − β) γυρίζει ένα κομμάτι για να φτιάξει ορθογώνιο, και το (α + β)³ κάνει το ίδιο σε τρεις διαστάσεις, με έναν κύβο.
Κάτι που τώρα ξέρεις, ενώ οι περισσότεροι ενήλικες δεν το ξέρουν: το (α + β)² δεν είναι ποτέ ίσο με α² + β², εκτός αν ένα από τα α, β είναι μηδέν. Τα δύο ορθογώνια αβ έχουν πάντα κάποιο εμβαδόν, όσο μικρά κι αν είναι, και αυτό το εμβαδόν πρέπει να μπει κάπου.
Θεωρία
Το τετράγωνο αθροίσματος: (α + β)²
Το τετράγωνο με πλευρά α + β χωρίζεται σε τέσσερα κομμάτια: το τετράγωνο α², το τετράγωνο β², και δύο ορθογώνια αβ (ένα πάνω δεξιά, ένα κάτω αριστερά). Προσθέτοντας τα εμβαδά τους:
(α + β)² = α² + 2αβ + β²
Η ίδια ταυτότητα δουλεύει με x στη θέση του α και έναν αριθμό στη θέση του β.
Λυμένο παράδειγμα 1
- Δεδομένα
- Η παράσταση (x + 3)².
- Ζητούμενο
- Να γραφτεί ως πολυώνυμο στη συνηθισμένη μορφή.
- Τύπος
- (α + β)² = α² + 2αβ + β², με α = x και β = 3.
- Υπολογισμός
-
(x + 3)² = x² + 2 · x · 3 + 3²
= x² + 6x + 9
- Απάντηση
- (x + 3)² = x² + 6x + 9. Έλεγχος με x = 1: αριστερά 4² = 16, δεξιά 1 + 6 + 9 = 16.
Συχνό λάθος: (α + β)² = α² + β², ξεχνώντας το 2αβ. Συμβαίνει γιατί το «υψώνω στο τετράγωνο» μοιάζει να μοιράζεται στους όρους του αθροίσματος, όπως μοιράζεται ο πολλαπλασιασμός· δεν είναι όμως το ίδιο πράγμα, γιατί το τετράγωνο ενός αθροίσματος δεν είναι άθροισμα τετραγώνων. Ο έλεγχος με έναν αριθμό το πιάνει αμέσως: για α = 3, β = 2, το σωστό δίνει 5² = 25, το λάθος δίνει 9 + 4 = 13. Δεν ταιριάζουν.
Το τετράγωνο διαφοράς: (α − β)²
Ξεκινάς από το τετράγωνο α² και αφαιρείς δύο λωρίδες πλάτους β, μία από πάνω και μία από το πλάι. Η γωνιακή περιοχή β² ανήκει και στις δύο λωρίδες, οπότε αφαιρείται δύο φορές· για να μείνει σωστό το εμβαδόν, προστίθεται πίσω μία φορά.
(α − β)² = α² − 2αβ + β²
Πρόβλεψε: στο (α − β)², πόσες φορές αφαιρείται συνολικά το εμβαδόν β² από τις δύο λωρίδες, πριν προστεθεί πίσω;
Απάντηση
Δύο φορές, μία από κάθε λωρίδα. Γι’ αυτό ο τύπος έχει + β² στο τέλος: μία αφαίρεση ακυρώνεται από την πρόσθεση.
Λυμένο παράδειγμα 2
- Δεδομένα
- Η παράσταση (2x − 1)².
- Ζητούμενο
- Να γραφτεί ως πολυώνυμο στη συνηθισμένη μορφή.
- Τύπος
- (α − β)² = α² − 2αβ + β², με α = 2x και β = 1.
- Υπολογισμός
-
(2x − 1)² = (2x)² − 2 · 2x · 1 + 1²
Συμπλήρωσε: 4x² − ___ + 1
- Απάντηση
- Δες παρακάτω, αφού το λύσεις.
Απάντηση
(2x − 1)² = 4x² − 4x + 1. Έλεγχος με x = 1: αριστερά 1² = 1, δεξιά 4 − 4 + 1 = 1.
Γινόμενο αθροίσματος επί διαφορά: (α + β)(α − β)
Από το τετράγωνο α² κόβεις τη γωνιακή περιοχή β². Το κομμάτι που μένει σε σχήμα Γ γυρίζει: το κομμάτι β(α − β) μετακινείται δίπλα στο υπόλοιπο και μαζί σχηματίζουν ένα ορθογώνιο με πλευρές α + β και α − β. Το εμβαδόν του ορθογωνίου είναι το ίδιο με το εμβαδόν που έμεινε μετά την αφαίρεση:
(α + β)(α − β) = α² − β²
Δεν υπάρχει μεσαίος όρος, γιατί τα δύο κομμάτια αβ που θα εμφανίζονταν σε ένα κανονικό γινόμενο εδώ είναι αντίθετα και σβήνουν: αβ − αβ = 0. Παράδειγμα: (x + 5)(x − 5) = x² − 25. Έλεγχος με x = 1: αριστερά 6 · (−4) = −24, δεξιά 1 − 25 = −24.
Ο κύβος αθροίσματος: (α + β)³
Σε τρεις διαστάσεις, ο κύβος με ακμή α + β χωρίζεται σε 8 κουτιά: ένας κύβος α³ στη μία γωνία, ένας κύβος β³ στην απέναντι γωνία, τρία ορθογώνια κουτιά α²β και τρία κουτιά αβ².
(α + β)³ = α³ + 3α²β + 3αβ² + β³
Έλεγχος με αριθμούς, α = 2, β = 1: αριστερά 3³ = 27, δεξιά 8 + 3 · 4 · 1 + 3 · 2 · 1 + 1 = 8 + 12 + 6 + 1 = 27. Ταιριάζουν.
Αναγνωρίζω μια ταυτότητα ανάποδα
Οι ταυτότητες δουλεύουν και προς τα πίσω: αν μια παράσταση έχει την ίδια μορφή με το ανεπτυγμένο μέλος, μπορείς να τη γράψεις ξανά ως τετράγωνο ή ως γινόμενο. Ελέγχεις τα δύο τετράγωνα άκρα και το πρόσημο, μετά επιβεβαιώνεις το μεσαίο όρο.
Λυμένο παράδειγμα 3
- Δεδομένα
- Η παράσταση x² + 10x + 25.
- Ζητούμενο
- Να γραφτεί ως τετράγωνο διωνύμου, αν γίνεται.
- Τύπος
- α² + 2αβ + β² = (α + β)².
- Υπολογισμός
-
Το πρώτο τετράγωνο είναι x², άρα α = x. Το τελευταίο τετράγωνο είναι 25 = 5², άρα β = 5.
Έλεγχος του μεσαίου όρου: 2 · x · 5 = 10x. Ταιριάζει με την παράσταση.
- Απάντηση
- x² + 10x + 25 = (x + 5)². Έλεγχος με x = 1: αριστερά 1 + 10 + 25 = 36, δεξιά 6² = 36.
Γρήγοροι υπολογισμοί με αριθμούς
Οι ταυτότητες βοηθούν και σε νοερούς υπολογισμούς, αν γράψεις τον αριθμό σαν άθροισμα ή διαφορά δύο βολικών αριθμών.
51² = (50 + 1)² = 50² + 2 · 50 · 1 + 1² = 2500 + 100 + 1 = 2601.
49 · 51 = (50 − 1)(50 + 1) = 50² − 1² = 2500 − 1 = 2499.
Σειρά σου: υπολόγισε νοερά το 39 · 41, γράφοντάς το σαν (40 − 1)(40 + 1).
Απάντηση
40² − 1² = 1600 − 1 = 1599.
Επιπλέον — για αργότερα
Οι ίδιες ταυτότητες διαβάζονται και ανάποδα σε ολόκληρες κατηγορίες παραστάσεων: κάθε τριώνυμο με την ίδια μορφή με το α² ± 2αβ + β² ξαναγίνεται τετράγωνο, και κάθε διαφορά δύο τετραγώνων α² − β² ξαναγίνεται γινόμενο. Αυτό είναι το πρώτο βήμα της παραγοντοποίησης, που θα δεις αναλυτικά στην επόμενη ενότητα.
Δραστηριότητες
- Στην αρχική κατάσταση της εφαρμογής (Ταυτότητα «(α + β)²», α = 5, β = 2), σύρε το ρυθμιστικό «Μετακίνηση» από 0 έως 100%. Μέτρησε τα τέσσερα κομμάτια που χωρίζονται και σύγκρινε τη σειρά «5² + 2² = 29 ≠ 49» με τη σωστή ανάπτυξη στις πληροφορίες κάτω από το σχήμα.
- Άλλαξε την Ταυτότητα σε «(α − β)²», με τα ίδια α = 5, β = 2. Σύρε ξανά το «Μετακίνηση» και βρες τις δύο διακεκομμένες λωρίδες που αφαιρούνται. Ποιο κομμάτι φωτίζεται με ετικέτα «+β²» και γιατί προστίθεται, ενώ οι λωρίδες αφαιρούνται;
- Επίλεξε Ταυτότητα «(α + β)(α − β)» με α = 6, β = 3. Στο 100% του «Μετακίνηση» δες το κομμάτι που έχει γυρίσει. Ποιες είναι οι δύο πλευρές του ορθογωνίου που σχηματίζεται, και ποιο εμβαδόν δίνει; Έλεγξέ το με το α² − β² στις πληροφορίες.
- Επίλεξε Ταυτότητα «(α + β)³» και σύρε το «Μετακίνηση». Μέτρησε πόσα από τα 8 κουτιά είναι α³, πόσα α²β, πόσα αβ² και πόσα β³. Πρόσθεσέ τα με το χέρι και σύγκρινε με τον τύπο.
- Σε όποια Ταυτότητα θέλεις, άλλαξε τα α, β με τα ρυθμιστικά. Κάθε φορά διάβασε τη σειρά με το «≠» (όπου υπάρχει) και σύγκρινέ την με τη σωστή σειρά από κάτω. Πόσο μεγαλώνει η διαφορά τους καθώς μεγαλώνουν τα α, β;
Ασκήσεις
Επίπεδο 1 · Κατανοώ Στην παράσταση (x − 4)², πες ποια ταυτότητα ταιριάζει, ποιοι είναι οι α, β, και τι πρόσημο θα έχει ο μεσαίος όρος.
Λύση
Ταιριάζει το τετράγωνο διαφοράς, με α = x και β = 4. Ο μεσαίος όρος είναι αρνητικός: −2 · x · 4 = −8x.
Επίπεδο 1 · Κατανοώ Συμπλήρωσε: (x + 6)² = x² + ___ + ___.
Λύση
(x + 6)² = x² + 12x + 36, γιατί 2 · x · 6 = 12x και 6² = 36.
Επίπεδο 2 · Εφαρμόζω Ανάπτυξε την παράσταση (3x − 2)².
Λύση
(3x − 2)² = (3x)² − 2 · 3x · 2 + 2² = 9x² − 12x + 4. Έλεγχος με x = 1: αριστερά 1² = 1, δεξιά 9 − 12 + 4 = 1.
Επίπεδο 2 · Εφαρμόζω Ανάπτυξε την παράσταση (x + 7)(x − 7).
Λύση
(x + 7)(x − 7) = x² − 49. Έλεγχος με x = 1: αριστερά 8 · (−6) = −48, δεξιά 1 − 49 = −48.
Επίπεδο 3 · Σκέφτομαι Υπολόγισε νοερά το 98² με μια αξιοσημείωτη ταυτότητα, γράφοντας πρώτα το 98 ως άθροισμα ή διαφορά δύο βολικών αριθμών.
Λύση
98 = 100 − 2, άρα 98² = (100 − 2)² = 100² − 2 · 100 · 2 + 2² = 10000 − 400 + 4 = 9604.
Τι πρέπει να θυμάσαι
- Κάθε ταυτότητα είναι μια εικόνα: εμβαδόν τετραγώνου, ορθογωνίου ή όγκος κύβου, χωρισμένο σε κομμάτια.
- (α ± β)² = α² ± 2αβ + β²· ο μεσαίος όρος 2αβ δεν πρέπει ποτέ να ξεχνιέται.
- (α + β)(α − β) = α² − β²· δεν έχει μεσαίο όρο, γιατί δύο αντίθετα κομμάτια σβήνουν.
- (α + β)³ = α³ + 3α²β + 3αβ² + β³, ο κύβος σε 8 κουτιά.
- Οι ταυτότητες διαβάζονται και ανάποδα: αναγνωρίζεις μια έτοιμη παράσταση σαν ανεπτυγμένο τετράγωνο ή διαφορά τετραγώνων. Ο έλεγχος με έναν αριθμό (π.χ. x = 1) πιάνει σχεδόν κάθε λάθος.
Γρήγορος έλεγχος
- Πόσο κάνει (x + 2)²;
Απάντηση
x² + 4x + 4.
- Ποιο γινόμενο δίνει x² − 9;
Απάντηση
(x + 3)(x − 3).
- Στο (α − β)², γιατί ο όρος β² προστίθεται στο τέλος αντί να αφαιρείται;
Απάντηση
Γιατί οι δύο λωρίδες που αφαιρούνται μοιράζονται τη γωνιακή περιοχή β²· αφαιρείται δύο φορές, οπότε προστίθεται πίσω μία φορά για να μείνει σωστό το εμβαδόν.
Ένα πρόβλημα για σένα
Ένα τετράγωνο οικόπεδο έχει πλευρά (x + 8) m. Γράψε το εμβαδόν του ως πολυώνυμο στη συνηθισμένη μορφή, χρησιμοποιώντας την κατάλληλη ταυτότητα. Υπολόγισε την τιμή του εμβαδού για x = 12, και έλεγξέ την πολλαπλασιάζοντας απευθείας την πλευρά (20 m) επί τον εαυτό της. Μετά γράψε το γινόμενο (x + 8)(x − 8) και σύγκρινε τους όρους του με το πρώτο εμβαδόν: ποια διαφορά παρατηρείς;