/
Автор: Гельфанд И.М. Шень А.Х.
Теги: алгебра математика естественные науки серия математика точные науки библиотека ступени знаний
ISBN: 5-7036-0047-2
Год: 1998
Текст
Библиотека
серия
МАТЕМАТИКА
И. М. ГЕЛЬФАНД, А. X. Шень
АЛГЕБРА
ФАЗИС
ББК 22.141
Г 32
Издание осуществлено при поддержке
фонда «КНИГА-НАУКА-КУЛЬТУРА»
Гельфанд И. М., Шень А. X.
Г 32 Алгебра. - М.: ФАЗИС, 1998. - 192 с.
(Библиотека «Ступени знаний», серия «Математика»)
ISBN 5-7036-0047-2
Эта книга — про алгебру. Алгебра — наука древняя, н от по-
повседневного употребления её сокровища поблекли. Авторы
старались вернуть им первоначальный блеск.
Основную часть книги составляют задачи, большинство
которых приводится с решениями. Начав с элементарной
арифметики, читатель постепенно знакомится с основными
темами школьного курса алгебры, а также с некоторыми
вопросами, выходящими за рамки школьной программы, так
что школьники разных классов F — 11) могут найти в книге
темы для размышлений.
Издательство ФАЗИС (ЛР № 064705 от 09.08.1996)
123557 Москва, Пресненский вал, 42-44
E-mail: phasis@alra.ru
Типография «Наука» Академиздатцентр РАН
121099 Москва, Шубинский пер., 6
Заказ № 23
ISBN 5-7036-0047-2
© Гельфанд И.М., 1998
Оглавление
1. Предисловие 7
2. Перемена мест слагаемых 7
3. Перемена мест сомножителей 8
4. Сложение столбиком 9
5. Таблица умножения. Умножение столбиком 12
6. Деление «уголком» 14
7. Двоичная система счисления 16
8. Коммутативность 19
9. Ассоциативность 20
10. Расстановки скобок 22
11. Дистрибутивность 23
12. Буквы в алгебре 25
13. Сложение отрицательных чисел 28
14. Умножение отрицательных чисел 28
15. Действия с дробями 33
16. Степени 37
17. Отрицательные степени 40
18. Как умножить ат на ап, или почему наше
определение удобно 44
19. Правило умножения степеней 46
20. Формулы сокращенного умножения.
Квадрат суммы 48
21. Как объяснить формулу (а + ЬJ = а2 + 2аЬ + Ь2
младшему брату или сестре 49
22. Квадрат разности 50
23. Разность квадратов 51
24. Куб суммы 54
25. Четвертая степень суммы 56
26. {а + ЬM, (а + ЬN и треугольник Паскаля 58
27. Многочлены 60
Оглавление
28. Отступление: какие многочлены считать
равными? 63
29. Сколько одночленов останется? . 65
30. Коэффициенты и значения 67
31. Разложение на множители 69
32. Рациональные выражения 75
33. Преобразование рационального выражения в
частное двух многочленов 76
34. Многочлены и рациональные дроби с одной
переменной 81
35. Деление многочленов с остатком 82
36. Остаток при делении на х — а 90
37. Многочлены, значения, интерполяция 94
38. Арифметические прогрессии 100
39. Сумма арифметической прогрессии 102
40. Геометрические прогрессии 104
41. Сумма геометрической прогрессии 107
42. Разные задачи о прогрессиях 110
43. Хорошо темперированный клавир 113
44. Сумма бесконечной прогрессии 122
45. Уравнения 125
46. Квадратное уравнение 127
47. Случай р — 0. Квадратный корень 128
48. Свойства квадратных корней 132
49. Уравнение х2 + рх + q = 0 133
50. Теорема Виета 136
51. Разложение квадратного трехчлена на
множители 140
52. Формула для корней уравнения
ах2 4- Ьх + с = 0 (а # 0) 142
53. Еще одна формула корней квадратного
уравнения 143
54. Квадратное уравнение становится линейным . . . .144
Оглавление
55. График квадратного трехчлена 146
56. Квадратные неравенства 150
57. Максимум и минимум квадратного трехчлена . . . .151
58. Биквадратные уравнения 153
59. Возвратные уравнения 154
60. Как завалить на экзамене. Советы
экзаменатору 155
61. Корни 157
62. Степень с дробным показателем 161
63. Доказательства числовых неравенств 166
64. Среднее арифметическое и среднее
геометрическое 170
65. Среднее геометрическое не больше среднего
арифметического 171
66. Задачи на максимум и минимум 172
67. Геометрические иллюстрации 174
68. Средние многих чисел 176
69. Среднее квадратическое 185
70. Среднее гармоническое ' 189
71. Книги для дальнейшего чтения 191
1. Пр едисловие
Эта книга — про алгебру. Алгебра — наука древняя, и от
повседневного употребления ее сокровища поблекли. Мы ста-
старались вернуть им прежний блеск.
Основную часть книги составляют задачи. Мы советуем
такой порядок действий: решить задачу; сравнить свое ре-
решение с приведенным в книге (если оно там есть); перейти
к следующей задаче. Если Вам не удается решить задачу (а
среди них есть и трудные), можно посмотреть указание или
прочесть решение. Если решения нет, то можно смело читать
дальше и вернуться к этой задаче в другой раз.
Книга состоит из разделов, посвященных самым разным
темам. Некоторые из них совсем короткие, есть и подлиннее.
Вы, конечно, прекрасно знаете арифметику, но освежить
ее в памяти не помешает. Начнем с самых простых вещей.
2. Перемена мест слагаемых
Сложим 3 и 5:
3 + 5 = 8.
А теперь переставим слагаемые:
5 + 3 = 8.
Ответ не изменился. Любитель электроники, для которого
сложение — не более чем клавиша «+» на калькуляторе, будет
удивлен. Ведь в первый раз он нажимал клавиши в таком
порядке
а во второй раз — совсем в другом
3 =
3. Перемена мест сомножителей
4. Сложение столбиком
Почему же на экране появилось одно и то же число 8? Мы
с Вами знаем, в чем здесь дело. Получить сначала 3 яблока,
а потом 5 — то же самое, что получить сначала 5, а потом
3 — и так, и этак будет. 8 (см. рис. 1): от перемены мест
слагаемых сумма не меняется.
ёёё
5 + 3
34-5
Рис. 1
5x3
3x5
Рис. 2
3. Перемена мест сомножителей
Аналогичным свойством обладает умножение. Но прежде
договоримся об обозначениях. В арифметике умножение
обозначают косым крестом «х». В алгебре этот знак упо-
употребляют редко. Обычно его заменяют точкой «•». Будем
так делать и мы.
Сравним 3-5 и 5 • 3. Оба произведения равны 15. Но по-
почему они одинаковы, объяснить уже не так легко. Ведь дать
трем мальчикам по пять яблок и дать пятерым мальчикам
по три яблока — это вовсе не одно и то же.
Один из авторов как-то спросил первоклассницу, сколько
будет дважды четыре. — Восемь — сразу же ответила она.
— А четырежды два? Тут девочка задумалась, складывая в
уме 2 + 2 + 24-2. Пройдет год, она твердо запомнит, что
от перемены мест сомножителей произведение не меняется,
и забудет, что когда-то это было вовсе не так уж и ясно.
Проще всего равенство 5 • 3 = 3 • 5 объяснить на картинке
(см. рис. 2).
4. Сложение столбиком
Чтобы узнать, сколько будет 7+9, можно нарисовать 7 яблок,
рядом 9 яблок (рис. 3) и сосчитать, сколько всего яблок: одно,
два, три, четыре, ... пятнадцать, шестнадцать. Получим:
7 + 9 = 16. Таким способом можно складывать любые числа.
Но чтобы сложить, к примеру, 137 и 268 таким способом, по-
понадобится изрядное терпение. И математики изобрели дру-
другие способы. Один из них — сложение столбиком.
Рис.3
В разное время и в разных странах люди записывали чис-
числа по-разному, и об этом написаны целые книги. Мы так
привыкли с детства к записи чисел в десятичной системе с
10
4. Сложение столбиком
4. Сложение столбиком
11
помощью цифр 0,1,2,..., 8, 9, что с трудом можем предста-
представить себе, насколько ее изобретение облегчило вычисления.
Даже сама возможность записывать сколь угодно большие
числа — и при том достаточно коротко — для древних бы-
была вовсе не очевидной. Великий древнегреческий математик
Архимед написал книгу «Псаммит, или исчисление песка» о
том, что можно записать число, большее числа песчинок, за-
заполняющих целиком сферу с радиусом, равным расстоянию
от Земли до неподвижных звезд.
Сейчас десятичная система вне конкуренции, если не счи-
считать двоичной системы, которая распространена не среди
людей, а среди компьютеров. В двоичной системе всего две
цифры @ и 1), числа записываются длиннее. Компьютеру
это не страшно — лишь бы правила арифметических дей-
действий были простыми.
О двоичной системе мы еще поговорим, а пока вернемся к
сложению чисел, записанных в десятичной системе. Их скла-
складывают «в столбик». Мы не будем объяснять Вам, как это
делается — это Вы знаете сами. Попробуйте решить такую
задачу.
Задача 1. В строку написано несколько восьмерок.
Кое-где между ними вставлены знаки «+», причем получен-
полученная сумма равна 1000. Как так может быть? Привести при-
пример с минимальным возможным числом слагаемых. (Напри-
(Например, расстановка 88 + 88 + 8 + 8 + 88 не подходит, так как
получается не 1000, а всего лишь 280.)
Решение. Запишем сложение в столбик
...8
...8
1000
Мы не знаем, сколько слагаемых и сколько восьмерок в ка-
каждом слагаемом. Известно, однако, что каждое слагаемое
кончается на 8 и что в разряде единиц суммы стоит 0. Что-
Чтобы восьмерки дали нуль, нужно как минимум 5 слагаемых
...8
...8
...8
...8
...8
1000
При этом в уме остается 4, так как 8 + 8 + 8 + 8 + 8 = 40.
Чтобы в разряде десятков получить 0, к этой четверке нужно
добавить две восьмерки: 4 + 8 + 8 = 20.
8
8
8
..88
..88
1000
В уме остается 2, так что в разряде сотен нужна одна вось-
восьмерка
8
8
8
88
888
1000
Ответ: 8 + 8 + 8 + 88 + 888 = 1000.
12
5. Таблица умножения. Умножение столбиком
5. Таблица умножения. Умножение столбиком
13
Задача 2. Какие цифры обозначены буквами А, Б is. В
в примере на сложение столбиком
ААА
БББ
АААВ
(все буквы А обозначают одну и ту же цифру, буквы Б —
другую, буквы В — третью)?
Решение. Цифра А равна единице — только единица
может появиться при переносе из разряда сотен в разряд ты-
тысяч. Чтобы определить цифру Б, зададим себе такой вопрос:
происходит ли перенос из разряда единиц в разряд десятков
(при сложении А с Б)? Если бы он не происходил, то в раз-
разрядах единиц, десятков и сотен у суммы стояла бы одна и та
же цифра — а это не так. Значит, перенос происходит. По-
Поскольку -4 = 1, это возможно лишь в случае Б = 9. Получаем
ответ: А = 1, Б = 1, В = 0.
111
999
1110
5. Таблица умножения.
Умножение столбиком
Чтобы умножить, к примеру, 17 на 38, можно нарисовать
картинку из 17 рядов по 38 точек и сосчитать все точки. Но
так, конечно, не делают, а умножают в столбик.
Способ умножения в столбик (по-ученому «алгоритм ум-
умножения в столбик») основан на том, что у Вас в голове есть
готовая таблица умножения однозначных чисел. Таблицу эту
надо — увы! — вызубрить, и если на заданный посреди ночи
вопрос «Сколько будет семью восемь?» Вы не отвечаете не-
немедленно «Пятьдесят шесть!», а складываете спросонья семь
восьмерок или восемь семерок, дело плохо.
А вот произведение 17-38 запоминать уже не надо, его
можно вычислить в столбик (одним из двух способов):
17
38
136
51
646
38
17
266
38
646
Не удивляет ли Вас — хоть немножко — что результаты со-
совпадают (хотя промежуточные значения разные)?
Вот несколько задач на умножение столбиком.
Задача 3. Умножьте несколько трехзначных чисел на
1001. Объясните наблюдаемую закономерность.
Задача 4. Умножьте 101010101 на 57.
Задача 5. Умножьте 10001 на 1020 304050.
Задача 6. Умножьте 11111 на 1111.
Задача 7. Шестизначное число, первая цифра которо-
которого — единица, увеличится в три раза, если эту первую цифру
переставить в конец. Найти число.
Решение. Запишем умножение в столбик:
1АБВГД
3
АБВГД1
(А, Б, В, Г, Д обозначают неизвестные цифры; пока мы не
знаем, есть ли среди них одинаковые). Цифра Д равна 7,
14
6. Деление «уголком»
6. Деление «уголком»
15
поскольку из произведений 3x0 = 0, 3x1 = 3, 3x2 = 6,
3 х 3 = 9, 3 х 4 = 12, 3 х 5 = 15, 3 х 6 = 18, 3 х 7 = 21, 3 х 8 = 24,
3 х 9 = 27 лишь 3 х 7 = 21 кончается на 1. Получаем:
1АБВГ7
3
АБВГ71
При умножении 3 х 7 в уме остается 2, поэтому 3 х Г должно
кончаться на 5- Это возможно лишь если Г = 5:
1АБВ57
3
АБВ571
Аналогично находим В = 8, Б = 2, А = 4. Ответ:
142857
3
428571
6. Деление «уголком»
Самое сложное из арифметических действий — деление. Что-
Чтобы почувствовать себя уверенно, решите такие задачи.
Задача 8. Разделите 123123123 на 123. (Проверьте
ответ умножением!)
Задача 9- Делится ли число 111... 1 A00 единиц) на
число 1 111 111 без остатка?
Задача 10. Какой остаток получится, если разделить
число 1000... 0 B0 нулей) на 7?
Задача 11. Решая предыдущую задачу, Вы могли за-
заметить, что цифры в частном (и остатки) начинают повто-
повторяться:
100000000...
142857.14...
7
30
28
20
14
60
56
40
35
50
49
10
30
28
2...
Будет ли так продолжаться и дальше — или это случайность?
Задача 12. Разделите на 7 числа 2000.. . 000 B0 нулей),
3000... 000 B0 нулей), 4000... 000 B0 нулей) и т. д. Сравните
полученные ответы.
Задача 13. Умножьте число 142 857 на 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и
сравните результаты. Запомнив число 142 857, можно удив-
удивлять своих знакомых фокусом: мгновенно умножать его на
любое число от 2 до 7.
Задача 14. Попробуйте изобрести аналогичные фоку-
фокусы на основе деления 1000... 0 на другие числа (заменив 7 на
другое число).
16
7. Двоичная система счисления
7. Двоичная система счисления
17
7. Двоичная система счисления
Задача 15. Угадайте закономерность и продолжите
таблицу 1, написав еще 5-10 строк.
Таблица 1
0
1
10
11
100
101
110
111
1000
1001
1010
1011
1100
Задача 16. Имеются гири в 1г, 2г, 4г, 8г и 16г. Убе-
Убедитесь, что из них можно набрать любой вес от 0 до 31 грам-
граммов, продолжив табл. 2 (-4- означает «гиря используется», —
означает «не используется».
В предыдущей задаче по существу используется та же са-
самая таблица @ и 1 соответствуют — и +). Эта таблица и
задает перевод чисел из десятиной системы счисления в дво-
двоичную (см. табл.3).
У двоичной системы есть преимущество: Вы не долж-
должны запоминать целых 10 цифр, достаточно двух. Но она
имеет также и недостаток: числа слишком длинные. (На-
(Например, число 1024 в двоичной системе записывается так:
10 000 000000.)
Таблица 2
16 8 4 2
0 - - - -
i
О _1_
?* i~
о I
4 - - + -
g _j_
6 - - + +
*7 i i
I %^ i"
8 - + - -
9 - + - -
10 - + - +
11 - -h - +
1
- 00000
+ 00001
- 00010
+ 00011
- 00100
+ 00101
- 00110
+ 00111
- 01000
+ 01001
- 01010
+ 01011
0
1
10
11
100
101
110
111
1000
1001
1010
1011
Таблица 3
Десятичная
запись
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Двоичная
запись
0
1
10
11
100
101
110
111
1000
1001
1010
1011
1100
18
7. Двоичная система счисления
8. Коммутативность
19
?
?
?
?
Задача 17. Догадайтесь, как записывается число 45 в
двоичной системе счисления.
Задача 18. Какое число записывается как 10101101 в
двоичной системе счисления?
Задача 19. Сложите «столбиком» числа, записанные в
. двоичной системе:
1010 + 101
1111 + 1
1011 + 1
1111 + 1111
Проверьте ответы, переводя слагаемые и сумму в десятич-
десятичную систему счисления.
Задача 20. Выполните вычитание чисел в двоичной
системе «в столбик». Проверьте результаты, переведя все
числа в десятичную систему.
1101 - 101 = ?
110-1 = ?
1000-1 = ?
Задача 21. Умножьте записанные в двоичной системе
числа 1101 и 1010 «в столбик»
1101
1010
Проверьте результат, перейдя в десятичную систему.
Указание. Вот два образца:
1011 1011
И 101
1011
1011
100001
1011
1011
110111
Задача 22. Разделите 11011 на 101 (двоичная запись)
уголком. Проверьте результат, перейдя в десятичную сис-
систему.
Указание. Вот образец:
11001
100
100
100
01
_0
1
100
110-f- частное
остаток
Задача 23. В десятичной системе дробь 1/3 записыва-
записывается как 0,333... А как эта же дробь запишется в двоичной
системе?
Задача 24. Придумайте, как записать числа 0, 1, 2, 3,
4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 в троичной системе счисления.
8. Коммутативность
Вернемся теперь к правилу «от перемены мест слагаемых
сумма не меняется». Его можно записать так:
Первое слагаемое + Второе слагаемое =
= Второе слагаемое + Первое слагаемое
или, сокращенно,
перв. ел. + втор. ел. = втор. ел. + перв. ел.
20
9. Ассоциативность
9. Ассоциативность
21
Но и эта запись кажется математикам слишком длинной,
и они вместо «перв. ел.» и «втор, ел.» пишут просто буквы —
например, буквы а и Ь. Получается:
= Ь
а\
Правило «от перемены мест сомножителей произведение
не меняется» запишется тогда так:
\а-b = Ъ-а
Напомним, что точка — знак умножения. Иногда ее опуска-
опускают и пишут просто
ab = Ьа.
Свойство а + b = Ъ + а математики называют «коммутатив-
«коммутативностью сложения», а свойство ab = Ьа — «коммутативностью
умножения».
Замечание. (Об обозначениях.) Знак умножения мож-
можно опускать не всегда: 3 • 7 равно 21, а вовсе не 37. Отметим,
что помимо трех уже известных нам обозначений а х b, a • Ь
и ab для произведения а на b широко распространено четвер-
четвертое: а * Ь. Оно используется в компьютерах.
9. Ассоциативность
Сложим теперь не два числа, а три:
3 + 5 + 11 = 8 + 11 = 19.
Но можно сделать и иначе:
3 + 5 + 11 = 3 + 16 = 19.
Порядок действий обозначают скобками:
C + 5) + 11
означает, что сначала надо сложить 3 и 5, а
3 + E + 11)
требует сложить сначала 5 и 11.
Результат не зависит от порядка действий. Математики
называют это свойство «ассоциативность сложения» и запи-
записывают его так:
Если Вы захотите объяснить наглядно кому-нибудь, что та-
такое ассоциативность, это можно сделать так: сладкий кофе с
молоком можно получить, добавив молоко в кофе с предвари-
предварительно размешанным сахаром — а можно добавить сахар в
кофе с молоком. В обоих случаях получится одно и то же —
это и есть ассоциативность:
(сахар + кофе) + молоко = сахар + (кофе + молоко).
Задача 25. Проделайте описанный только что экспе-
эксперимент с кофе.
Задача 26. Вычислить в уме 357 + 17999 + 1.
Решение. Сложить 357 и 17999 в уме не так легко.
Зато если сложить сначала 17 999 + 1, получится 18 000 и при-
прибавить 357 ничего не стоит:
357 + A7 999 + 1) = 357 + 18 000 = 18 357.
Задача 27. Сложить в уме 357 + 17999.
Решение. 357 + 17999 = C56 + 1) + 17999 = 356 + A +
+ 17 999) = 356 + 18 000 = 18 356.
22
10. Расстановки скобок
11. Дистрибутивность
23
Задача 28. Сложить 899 + 1343 + 101.
Указание. Воспользоваться коммутативностью сло-
сложения.
Свойством ассоциативности обладает и умножение:
(а • Ь) • с = а • (Ь ¦ с)
или, сокращенно
(ab)c = а(Ьс).
Задача 29. Перемножить 37 ¦ 25 • 4.
Задача 30. Перемножить 125-37-8.
10. Расстановки скобок
Педант сказал бы
с полным правом — что запись вроде
2-3-4-5
не имеет смысла, пока не сказано, в каком порядке выполнять
умножение. Даже если мы не будем переставлять сомножи-
сомножители, возможностей много:
(B • 3) ¦ 4) • 5 = F • 4) • 5 = 24 - 5 = 120,
B • C • 4)) • 5 = B • 12) • 5 = 24 • 5 = 120,
B • 3) - D • 5) = 6 • 20 = 120,
2 • (C • 4) • 5) = 2 • A2 ¦ 5) = 2 • 60 = 120,
2 • C • D - 5)) = 2 • C • 20) = 2 - 60 = 120.
Задача 31. Расставьте всеми способами скобки в про-
произведении 2 • 3 • 4 • 5 • 6, не меняя порядок сомножителей (анало-
(аналогично только что приведенному примеру). Постарайтесь пе-
перебирать все варианты систематически, чтобы чего-нибудь
не пропустить. (Указание. Должно получиться 14 спосо-
способов.)
Задача 32. Сколько нужно использовать левых и пра-
правых скобок, чтобы полностью указать порядок действий в
произведении
2-3-4-5-6...99- 100?
Поскольку результат умножения не зависит от порядка
действий, скобки часто опускают, предполагая, что читатель
домыслит их сам —- все равно как.
Следующая задача показывает возможности, даваемые
умелой перестановкой и группировкой слагаемых.
Задача 33. Найти сумму 1 + 2 + 3 + 4 + .. . + 98+99 + 100.
Решение. Сгруппируем 100 слагаемых в 50 пар: 1+2 +
+ 3 + 4 + ... + 98 + 99 + 100 = A + 100) + B + 99) + C + 98) +
+... + D9 + 52) + E0 + 51). В каждой паре сумма равна 101,
всего пар 50, так что получается 50 • 101 = 5050.
По преданию, школьник Карл Гаусс (впоследствии вели-
великий немецкий математик) шокировал своего учителя, решив
эту задачу в уме — в то время как тот надеялся часок от-
отдохнуть, пока ученики заняты сложением ста чисел!
11. Дистрибутивность
Есть еще одно свойство сложения и умножения, называемое
«дистрибутивность». Если 2 мальчикам и 3 девочкам дать
по 7 яблок, то мальчики получат 2 • 7 = 14 яблок, девочки
получат 3 • 7 = 21 яблоко, а всего яблок будет
2 • 7 + 3 • 7 = 14 + 21 = 35.
Тот же ответ можно получить иначе: каждый из 2 + 3
ребят получил 7 яблок, поэтому всего яблок будет
B + 3) - 7 = 5 • 7 = 35.
= 5
24
11. Дистрибутивность
12. Буквы в алгебре
25
Таким образом,
B + 3)-7 = 2-7 + 3-7
или, в общем виде
(а + Ь) • с = а ¦ с + Ь • с.
Это свойство называется «дистрибутивностью». Переставив
сомножители, можно записать его и так:
с • (а + Ь) = с • а + с • Ь.
Задача 34. Вычислить в уме 1001 • 20.
Решение. 1001-20 = A000 + 1)-20 = 1000-20 + 1-20 =
= 20000 + 20 = 20020.
Задача 35. Вычислить в уме 1001 • 102.
Решение. 1001102 = 1001A00+2) = 1001 100 +1001 х
х 2 =A000 + 1)-100+A000 + 1)-2 = 100000 + 100 + 2000 + 2 =
=102102.
Свойство дистрибутивности — это правило раскрытия
скобок. Раскроем с его помощью скобки в произведении двух
сумм
(а + &)(тп + п).
Забудем на минуту, что запись (т + п) — это сумма т и
п, и будем считать её «иероглифом», обозначающим некое —
неважно какое — число. По правилу дистрибутивности
(а + Ь) ¦ т + п — а • т + п + Ь ¦ т + п
Теперь вспомним, что \тп + п\ — это сумма тип. Снова
воспользуемся дистрибутивностью и продолжим равенство:
... = а(тп + п) + Ъ{гп + п) — am + an + bn + bm.
Общее правило: чтобы перемножить две суммы, надо умно-
умножить каждый член первой суммы на каждый член второй
суммы и потом всё это сложить.
Задача 36. Сколько слагаемых будет в произведении
(a + b + c + d + е)(х + у + z)
после того, как мы раскроем скобки?
12. Буквы в алгебре
Постепенно мы все больше и больше используем буквенные
обозначения (а,Ь, с, ...,х, y,z). По традиции использование
буквенных обозначений («иксов») считается одной из наибо-
наиболее трудных тем школьного курса математики. Раньше в
начальной посоле изучалась «арифметика», где никаких ик-
иксов не было, а в средней школе (с 5-го класса) переходили к
«алгебре» — где уже были иксы. Потом «арифметику» пере-
переименовали в «математику» и ввели иксы в начальных клас-
классах — чем окончательно запутали бедных школьников (как
утверждают скептики).
Мы надеемся, что у Вас, дорогой читатель, не было труд-
трудностей с пониманием смысла буквенных обозначений. Тем не
менее мы хотим дать Вам совет — на случай, если придет-
придется объяснять это своим одноклассникам, брату или сестре,
родителям или — в будущем — детям. Смысл букв проще
всего объяснить, сказав, что буквы — это сокращения для
некоторых слов. Поясним это.
26
12. Буквы в алгебре
12. Буквы в алгебре
27
В равенстве
По условию,
а
Ь =Ь + а
буквы а и Ъ были сокращениями для слов «первое слагаемое»
и «второе слагаемое». Записывая а + b — Ь + а, мы имеем
в виду, что вместо о и 6 можно подставить любые числа и
получить верное равенство. Таким образом, а + b = b + a
можно считать единой сокращенной записью равенств 1 + 7 =
= 7 + 1, 1028 + 17 = 17 + 1028 — так же как и бесчисленного
множества других равенств того же вида.
Другой пример использования букв дает решение такой
задачи:
Задача 37. Малый бидон и большой бидон вместе вме-
вмещают 5 литров; в двух малых бидонах и трех больших поме-
помещается всего 13 литров. Какова емкость бидонов?
Решение. («Арифметическое».) Емкость малого бидо-
бидона и емкость большого бидона в сумме равны 5 литрам. По-
Поэтому два малых бидона и два больших вмещают 10 литров
A0 = 2-5). Кроме того, мы знаем, что 2 малых и 3 больших
бидона вмещают 13 литров. Таким образом, добавление од-
одного лишнего большого бидона увеличивает суммарную ем-
емкость с 10 до 13 литров. Следовательно, емкость большого
бидона равна 13 — 10 = 3 литра. Зная емкость большого би-
бидона, легко найти емкость малого, так как в сумме они дают
5 литров: 5 — 3 = 2. Ответ: емкость малого бидона — 2
литра, емкость большого — 3 литра.
Это же решение можно записать короче, сократив слова
«Емкость малого бидона» до «Емк. М. Б.», а «Емкость большо-
большого бидона» до «Емк. Б. Б.». Вот что получится: по условию,
поэтому
Емк. М. Б. + Емк. Б. Б. = 5,
2 • Емк. М. Б. + 2 • Емк. Б. Б. = 10.
2 • Емк. М. Б. + 3 • Емк. Б. Б. = 13.
Вычтя из этого равенства предыдущее, находим, что
Емк. Б. Б. = 3, теперь из первого равенства находим, что
Емк. М. Б. = 2.
Осталось заменить русские обозначения «Емк. М. Б.» и
«Емк. Б. Б.» на традиционные а; и у, чтобы получить стан-
стандартное «алгебраическое» решение задачи. Вот оно.
Обозначим емкость малого бидона через х, а емкость
большого — через у. Получаем систему уравнений:
х + у = 5,
2х + Зу = 13.
Умножая первое уравнение на 2, получаем, что
2х + 2у = 10.
Вычитая это равенство из второго уравнения системы, нахо-
находим, что
у = 13 - 10 = 3.
Теперь из первого уравнения
х = 5 — у = Ъ — 3 = 2.
Ответ, х = 2, у — 3.
Еще один пример, иллюстрирующий использование бук-
буквенных обозначений.
«Фокус». Задумайте число. Прибавьте к нему 3.
Умножьте результат на 2. Отнимите задуманное число. От-
Отнимите 4. Отнимите еще раз задуманное число. У Вас полу-
получилось 2.
28
14. Умножение отрицательных чисел
14. Умножение отрицательных чисел
29
Задача 38. Объяснить, почему этот фокус всегда уда-
удается.
Решение. Давайте проследим по табл.4, что происхо-
происходит с задуманным числом (мы обозначаем его через х).
Таблица 4
Таблица 5
Задумайте число
Прибавьте к нему 3
Умножьте результат на 2
Отнимите задуманное число
Отнимите 4
Отнимите задуманное число
еще раз. Получилось 2
X
х + 3
2 • (х + 3) = 2х + 6
Bх + 6) - х - х + 6
(ж + 6)-4 = ж + 2
(х + 2) - х = 2
13. Сложение отрицательных чисел
В том, что 3 + 5 = 8, можно убедиться, взяв три яблока,
добавив к ним пять яблок и сосчитав получившуюся кучу
яблок: «раз, два, три, четыре, ..., семь, восемь». Но как
проверить, что (-3) + (-5) = (-8) или что 3 + (-5) = (-2)?
Обычно это объясняют на примерах вроде представленных в
табл. 5 или табл. 6.
14. Умножение отрицательных чисел
Чтобы подсчитать, чему равно трижды пять, надо сложить
три слагаемых, каждое из которых равно пяти:
5 + 5 + 5 = 15.
3 + 5 = 8
(-3)+5 = 2
3 + (-5) = (-2)
(-3) + (-5) = (-8)
Вчера было 3 градуса тепла, сего-
сегодня температура повысилась на 5
градусов и стала 8 градусов.
Вчера было —3 градуса, сегодня
на 5 градусов теплее, т.е. +2
градуса.
Вчера было +3 градуса, сегодня
на 5 градусов холоднее, т.е. —2
градуса.
Вчера было —3 градуса, сегодня
на 5 градусов холоднее, т.е. —8
градусов.
Таблица 6
3 + 5 = 8
(-3) +5 = 2
3 + (-5) = (-2)
(-3) + (-5) = (-8)
три протона + пять протонов =
восемь протонов
три антипротона + пять прото-
протонов = два протона (не считая у-
иэлучения)
три протона + пять антипрото-
антипротонов = два антипротона (не считая
7-излученияI
три антипротона + пять анти-
антипротонов = восемь антипротонов
С некоторой натяжкой то же объяснение годится и для про-
произведения 1-5, если считать, что «сумма» из одного-единст-
Протон и антипротон — элементарные частицы; при встрече про-
протона с антипротоном они аннигилируют, т. е. исчезают, превращаясь в
7-излучение.
30
14. Умножение отрицательных чисел
14. Умножение отрицательных чисел
31
венного слагаемого равна этому слагаемому. Но произведе-
произведение 0 • 5 или (—3) • 5 так не объяснишь: что означает сумма
из нуля или из минус трех слагаемых?
Можно, однако, переставить сомножители
50 = 0 + 0+0 + 0 + 0 = 0,
5 - (-3) = (-3) + (-3) + (-3) + (-3) + (-3) = -15.
Если мы хотим, чтобы произведение не изменялось при пере-
перестановке сомножителей — как это было для положительных
чисел — то тем самым должны считать, что
0-5 = 0, (-3) • 5 = -15.
Теперь перейдем к произведению (—3) • (—5). Чему оно
равно: —15 или +15? Оба варианта имеют резон. С одной
стороны, минус в одном сомножителе уже делает произве-
произведение отрицательным — тем более оно должно быть отри-
отрицательным, если отрицательны оба сомножителя. С другой
стороны, в табл. 7 уже есть два минуса, но только один плюс,
и «по справедливости» (—3)-(—5) должно быть равно +15. Так
что же предпочесть?
Таблица 7
3 • 5 = +15
(-3) • 5 = -15
3 - (-5) = -15
(-3) • (-5) = ?
Вас, конечно, такими разговорами не запутаешь: из
школьного курса математики Вы твердо усвоили, что минус
на минус дает плюс. Но представьте себе, что Ваш млад-
младший брат или сестра спрашивает Вас: а почему? Что это —
каприз учительницы, указание высшего начальства или тео-
теорема, которую можно доказать?
Обычно правило умножения отрицательных чисел поясня-
поясняют на примерах вроде представленного в табл. 8.
Таблица 8
3 • 5 = 15
3(-5) = -15
(-3) • 5 = -15
(-3) • (-5) = 15
три раза получить по пять рублей —
это пятнадцать рублей дохода
три раза заплатить штраф в пять
рублей — пятнадцать рублей убыт-
убытка
три раза недополучить по пять руб-
рублей — пятнадцать рублей убытка
три раза не заплатить штраф по
пять рублей — пятнадцать рублей
дохода
Можно объяснять и иначе. Напишем подряд числа
1, 2, 3, 4, 5, ...
Теперь напишем те же числа, умноженные на 3:
3, 6, 9, 12, 15, ...
Легко заметить, что каждое число больше предыдущего на 3.
Теперь напишем те же числа в обратном порядке (начав, на-
например, с 5 и 15):
5, 4, 3, 2, 1,...
15, 12, 9, 6, 3,...
и продолжим дальше:
5, 4, 3, 2, 1, 0, -1, -2, -3, -4, -5,...
15, 12, 9, 6, 3, 0, -3, -6, -9, -12, -15,...
32
14. Умножение отрицательных чисел
15. Действия с дробями
33
При этом под числом —5 оказалось число —15, так что
3 • (—5) = —15: плюс на минус дает минус.
Теперь повторим ту же процедуру, умножая числа 1,2,3,
4,5 ... на —3 (мы уже энаем, что плюс на минус дает минус):
1, 2, 3, 4, 5,...
-3, -6, -9, -12, -15,...
Каждое следующее число нижнего ряда меньше предыдущего
на 3. Запишем числа в обратном порядке
5, 4, 3, 2, 1
-15, -12, -9, -6, -3
и продолжим:
5, 4, 3, 2, 1, 0, -1, -2, -3, -4, -5,...
-15, -12, -9, -6, -3, 0, 3, 6, 9, 12, 15,...
Под числом —5 оказалось 15, так что (—3) • (—5) = 15.
Возможно, эти объяснения и удовлетворили бы Вашего
младшего брата или сестру. Но Вы вправе спросить, как
же обстоят дела на самом деле и можно ли доказать, что
(-3) • (-5) = 15?
Ответ здесь таков: можно доказать, что (—3) • (—5) долж-
должно равняться 15, если только мы хотим, чтобы обычные
свойства сложения, вычитания и умножения оставались
верными для всех чисел, включая отрицательные. Схема
этого доказательства такова.
Докажем сначала, что 3 • (—5) = —15. Что такое —15?
Это число, противоположное 15, т. е. число, которое в сумме
с 15 дает 0. Так что нам надо доказать, что
3 • (-5) + 15 = 0.
В самом деле,
3 - (-5) + 15 = 3 • (-5) + 3 • 5 = 3•(-5 +5) = 3-0 = 0.
(Вынося 3 за скобку, мы воспользовались законом дистрибу-
дистрибутивности ab + ac = а(Ь + с) при а = 3, Ь = —5, с = 5 — ведь
мы предполагаем, что он остается верным для всех чисел,
включая отрицательные.) Итак, 3 • (—5) = —15. (Дотошный
читатель спросит нас, почему 3-0 = 0. Честно признаем-
признаемся: доказательство этого факта — как и вообще обсуждение
того, что такое ноль — мы пропускаем.)
Докажем теперь, что (—3) • (—5) = 15. Для этого запишем
и умножим обе части равенства на —5:
((-3)+3).(-5) = 0-(-5)=0.
Раскроем скобки в левой части:
т. е. (-3) • (-5) + (-15) = 0. Таким образом, число (-3) • (-5)
противоположно числу —15, т.е. равно 15. (В таком рас-
рассуждении также есть пробелы: следовало бы доказать, что
0 • (—5) = 0 и что существует только одно число, противопо-
противоположное числу —15.)
15. Действия с дробями
Бели Вас попросят сравнить дроби
3
5
15'
34
15. Действия с дробями
15. Действия с дробями
35
то, конечно, Вы сразу скажете, что они равны:
15 ~ 3-5 ~ 5'
Графически это равенство изображено на рис. 4.
Рис 4
А что Вы скажете о дробях
221 403 „
391 И 713'
Если бы Вы помнили наизусть таблицу умножения дву-
двузначных чисел, то сразу бы сказали, что они равны:
221 _ 17 • 13 _ 13 _ 31- 13 _ 403
391 = 17-23 ~ 23 ~ 31 • 23 ~ 713"
Но как быть, если мы не помним этой таблицы? Тогда надо
привести дроби к общему знаменателю:
221 221-713 403 403-391
391 391 • 713
и сравнить числители
713
221
713
1426
1426
157573
и
713 713-391
391
403
1173
1564
157573
Так мы убедимся, что дроби равны — но так и не узнаем,
что на самом деле обе они равны 13/23!
Задача 39. Что больше: 1/3 или 2/7?
Решение. 1/3 = 7/21, 2/7 = 6/21, т.е. 1/3 > 2/7.
Бытовая формулировка этой задачи («Что больше: бу-
бутылка на троих или две на семерых?») подсказывает другое
решение: бутылка на троих — это две бутылки на шесте-
шестерых, а не на семерых, т. е. 1/3 больше 2/7. Говоря научно,
мы «привели дроби к одинаковому числителю»:
1
3
Задача 40. Что больше:
Указание.
2 2
6 < 7"
10001
или
100001
10002 100002
Обе дроби меньше 1. На сколько?
Задача 41. Что больше:
12345
54321
Приведение к общему знамена-
знаменателю — традиционная проблема при
изучении арифметики. Классиче-
Классический вопрос: «Сколько торта оста-
останется мне, если брат съест полови-
половину торта, а сестра — треть тор-
торта?» Ответ (одна шестая) виден на
рис. 5.
Мы уверены, что никто из на-
наших читателей не складывает дро-
дроби, складывая отдельно числители и
знаменатели:
2 5 2 + 5
или
12346
54322
Рис. 5
3 + 7 10'
36
15. Действия с дробями
/16. Степени
37
Вместо суммы эта операция дает нечто среднее: 7/10 = 0,7
находится между 2/3 = 0,666 ... и 5/7 = 0,714285
Это легко понять: если в одной компании было две бу-
бутылки на троих (по 2/3 на человека), а в другой компании
было пять бутылок на семерых (по 5/7 на человека), то после
встречи все выровняется, и будет семь бутылок на десятерых
G/10 на человека).
Л С
Задача 42. Назовем дроби — и - (a,b,c,d — целые
о d
ad — ос
положительные числа) соседними, если их разность ———
оа
имеет числитель ±1, т. е. если ad — be = ±1.
1. Доказать, что в этом случае обе дроби несократимы.
тт ас а + с
2. Доказать, что если — и — соседние, то дробь
о а о + а
находится между ними и является соседней с обеими дробями
а с
3. Доказать, что в этом случае никакая дробь — с нату-
ральными е и /, у которой / < Ъ + d, не находится между —
о
с
к I
-=, синяя — числу —; дробь
' Хо
к + 1
7 + 13
находится между ними. Следовательно, в ней будет проведен
разрез, разделяющий — и — по разным частям.
Задача 44. Что больше: пять процентов от семи мил-
миллионов или семь процентов от пяти миллионов? [«Вопрос мой
прост и краток, — промолвил носорог, — Что больше: сорок
пяток или пяток сорок?» — А. Милн. Винни-Пух и все-все-
все. Пересказ Б. Заходера]
Задача 45. Как отрезать от шнура в 2/3 м кусок в
1/2 м, не имея метра?
Решение. Кусок в 1/2 м составляет три четверти от
всего шнура:
3 2 2 1
4 ' 3 ~ 4 ~ 2'
так что от шнура надо отрезать четверть (два раза сложив
его пополам).
Задача 43. Метровый стержень разделили на 7 равных
частей красными пометками и на 13 равных частей синими
пометками. Затем его распилили на 20 равных частей. Дока-
Докажите, что на всех этих частях (кроме крайних) будет ровно
одна пометка — синяя или красная).
Решение. На крайних частях пометок не будет, так
как — меньше, чем - и —. Остается 18 частей. Доста-
Достали I -i-O о w
точно доказать, что на каждой из них будет не более одной
пометки. (Всего пометок также 18, поэтому ни одна часть
не останется без пометки.) Красная пометка соответствует
16. Степени
В последовательности чисел
2, 4, 8, 16, ...
каждое следующее число вдвое больше предыдущего:
4 = 2-2
8 = 4-2 = 2-2-2 (Зраза)
16 = 8 • 2 = 2 • 2 • 2 • 2 D раза)
38
16. Степени
16. Степени
39
Математики применяют такие полезные обозначения:
2-2 = 22
2-2-2 = 23
2-2-2-2 = 24
так что, например, 26 = 64.
Последовательность 2,4, 8,16... можно теперь записать
так: 2,22,23,24,... Запись а" читают «а в степени п» или
«n-ая степень числа а». При этом а называют основанием,
п — показателем степени. Для а2 и а3 есть специальные
названия: квадрат числа а, куб числа а. Они объясняются
тем, что площадь квадрата со стороной а равна а2, а объем
куба со стороной а равен а3.
Задача 46. Чему равны: (а) 210; (б) 103; (в) 107?
Задача 47. Сколько цифр в десятичной записи числа
jqIOOO ?
Астрономы используют степени 10 для записи больших
чисел. Например, скорость света примерно равна
300000 км/с = 3 • 105 км/с = 3 • 108 м/с = 3 - 1010 см/с.
Задача 48. В астрономии световым годом называют
расстояние, которое свет проходит за год. Чему примерно
равно расстояние до ближайшей к Солнцу звезды в метрах,
если оно составляет около 4 световых лет?
В табл. 9 приведено несколько «больших» чисел.
Замечание. Граница между «большим» и «малым»
условна и зависит от единиц измерения: например, расстоя-
расстояние до Солнца, измеренное в световых годах, примерно равно
0,000015.
В дальнейшем мы увидим, что не только очень большие,
но и очень малые числа удобно записывать с помощью сте-
степеней.
Таблица 9
Число молекул в грамме воды
Радиус Земли
Расстояние до Луны
Расстояние до Солнца («астрономиче-
(«астрономическая единица длины»)
Размер доступной современным на-
наблюдателям части Вселенной
Масса Земли
Возраст Земли
Возраст Вселенной
Число людей на Земле
Средняя продолжительность
жизни человека
~ 3 • 1022
~ 6 • 106 м
=: 4 • 108 м
~ 1,5 - 1011 м
as 1026 м
~ 6 • Ю24 кг
~ 5 • 109 лет
~ 1,5 • 1010 лет
~ 5 • 109
~ 2 • 109 с
Программисты предпочитают иметь дело со степенями
двойки, а не десятки. Оказалось, что 210 = 1024 при-
примерно равно 1000 = 103 и приставка «кило», обычно обо-
обозначающая 1000 (килограмм равен 1000 граммов, километр
равен 1000 метров), в программировании означает 1024:
1 килобит = 1024 бита. (Бит — единица измерения «количе-
«количества информации»).
Задача 49. 1. Сколько цифр в десятичной записи чи-
числа 220?
2. Тот же вопрос для числа 2100.
3. Нарисуйте график зависимости числа цифр в десятичной
записи 2" как функции от п.
40
17. Отрицательные степени
17. Отрицательные степени
41
При пересчете степеней двойки в степеней десятки нужно
умножать показатель степени примерно на 0,3: 210 ~ 100>зг0,
2" ~ 100'3".
Многие микрокалькуляторы, умножая большие числа, вы-
выдают ответ, содержащий степени:
370 000 • 2 100,000 = 7,77 • 1011.
На экране при этом не пишется знак умножения и число 10 (а
вместо запятой ставится точка, как принято за границей):
7.77 11
Заметим, что в обычной записи
777000 000000
ответ не поместился бы на экране калькулятора.
17. Отрицательные степени
Мы выписывали степени числа 2:
2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, ...
Попробуем, начиная с какого-либо числа (например, 128), за-
записать эту последовательность в обратном порядке:
128, 64, 32, 16, 8, 4, 2.
В первой последовательности каждое число было вдвое боль-
больше предыдущего, теперь — вдвое меньше. Продолжим эту
последовательность:
128, 64, 32, 16, 8, 4, 2, 1, |, I, I, -L, ...
У последовательности
2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 ...
было удобное краткое обозначение:
2, 22, 23, 24, 25, 26, 27, ...
В обратном порядке:
128, 64, 32, 16, 8, 4, 2
27, 26, 25, 24, 23, 22, 2
Продолжая по аналогии, можно написать:
128, 64, 32, 16, 8, 4, 2, 1, \, I, ± -L...
27, 26, 25, 24, 23, 22, 21, 2°, 2~\ 2~2, 2~3, 2...
Эти обозначения широко используются. Таким образом,
23 = 8, 21 = 2, 2° = 1, 2~: "*
2'
4'
= 8' ИТД>
Раньше, говоря о степенях, мы понимали 23 как «2, по-
повторенное сомножителем 3 раза», а 25 — как «2, повторенное
сомножителем 5 раз». Бели еще можно, с некоторой натяж-
натяжкой, сказать, что 21 есть двойка, повторенная сомножителем
один раз, то про 2° = 1 или 2~3 = - такое объяснение бы-
о
до бы смешным. Просто математики договорились считать,
что (при положительных целых п) 2~п понимается как —.
Мы надеемся, что это соглашение не показалось Вам ис-
искусственным. Впоследствии мы увидим, насколько оно удоб-
удобно и даже — в определенном смысле — неизбежно.
42
17. Отрицательные степени
17. Отрицательные степени
43
Задача 50. Запишите в виде десятичных дробей числа
(а) Ю-1; (б) Ю-2; (в) 10.
В табл. 10 приведено несколько «малых» чисел.
Деление чисел на большие и малые, как мы уже говори-
говорили, условно. При желании можно было бы включить в эту
таблицу величины из предыдущей: например, радиус Земли
=* 6 • 103 км ^ 4 • 10~5 астрономических единиц.
3 а д а ч а 51. За какое время красный свет проходит рас-
расстояние, равное длине волны? (Это время называют перио-
периодом колебаний.)
Итак, запомните:
Определение. Для целых положительных то
Таблица 10
= а•а.. .а
1
(то раз),
а
,о _
а"
= 1.
Задача 52. Верно ли равенство а п = — для отрица-
отрицательных то и для п = 0?
Можно ли доказать, что а~п =
а"
? Нельзя, посколь-
поскольку запись а~~п сама по себе, до принятия нашего соглашения
(или, как говорят математики, определения) смысла не име-
имеет. Если вдруг все математики мира почему-либо договорят-
договорятся понимать а~п как-то иначе, то с этого момента равенство
а~п = — перестанет быть верным. Однако этого не про-
произойдет — зачем менять привычное и удобное соглашение?!
Нарушив его, мы чрезвычайно все усложним (см. следующий
раздел).
С помощью обозначений для степеней длинное выражение
1 см
1 мм
1 микрон
1 нанометр
1 ангстрем
Масса молекулы воды
Размер живой клетки
Граница применимости известных
законов физики («элементарная
длина», как говорят физики)
Длина световой волны
(красный свет)
= Ю-2 м
=10~3 м
=10~6 м
= Ю-9 м
= Ю-10 м
^ 3 • Ю-23 г
=г 15 - 350 • 10"9 м
~ 10~31 см
ск 7 • 10~7 м
можно записать короче — как 2a463c2cf, a
2 • а-а¦а-а-с-с
ЪЪЪ-d
как 2a4!T3cld-1.
Задача 53. Записать с использованием показателей сте-
степени
(a) a-a-a-a-a-a-a-a-a-a-b-b'b-b;
2¦а¦а-а
(б)
Ь-Ь
2 • а ¦ а ¦ а
a-b-b-b'C-c-d
Ответ, (а) а1064; (б) 2а36~2.
44
18. Как умножить ат на ап
18. Как умножить ат на а"
45
Задача 54. Переписать, используя лишь положитель-
положительные показатели степеней:
(а) а36-5; (б) о^б.
Ответ, (а) ^; (б) -~.
18. Как умножить ат на а11,
или почему наше определение удобно
Умножить ат на ап совсем просто, если тип положительны.
Например,
а5 • ал = (а • а • а • а • а) • (а • а • а) = а54 = а8.
5 раз
3 раза
Вообще, ат • ап = ат+п. Действительно, ат — это а, повто-
повторенное множителем т раз, а а" — это а, повторенное п раз.
Аналогичным образом, для п = 1 имеем:
ат а1 = ат а = ат+1.
Но показатели степеней могут быть и отрицательными. На-
Наше правило годится и в этом случае! Например, при т = 5,
п = — 3 оно гласит:
а5 ¦ а~3 = а5+<> = а2.
Проверим: а • а 3 по определению есть
а
а • а • а • а • а
а • а ¦ а
= а2.
Более дотошный читатель попросит проверить еще и та-
такое равенство:
Пожалуйста. По определению,
а
1 о а3 1
а5 а5 а2
Еще более дотошные вспомнят, что оба числа тип могут
быть отрицательными и попросят проверить, что
а~5 • а = а<-5>+<-3> = а"8.
Действительно,
а5 а3
Не думайте, что мы уже разобрали все случаи. Мы забыли,
что один из показателей (или даже оба) может быть равен
О, а а0 мы определяли отдельным соглашением. Разберем и
этот случай: проверим, что
ата° = ат+0 = ат.
Действительно, по определению а0 = 1, так что
ат - а0 = ат • 1 = ат.
Задача 55. Надо ли отдельно разбирать случаи т < О,
т = 0 и т > О?
Задача 56. Чему равно —? При всех ли целых тип
ап
ваш ответ годится?
46
19. Правило умножения степеней
19. Правило умножения степеней
47
19. Правило умножения степеней
При умножении степеней с одинаковым основанием показа-
показатели складываются:
ат • ап = ат+п
Это правило позволяет удобно работать с большими и ма-
малыми числами: например, для умножения 2 • 107 на 3 • 101
достаточно умножить 2 на 3 и сложить 7 и —11:
B-107)-C-10-п) = B-3)-A07-10-и) = 6-107+<-п) =610.
Подобным образом обычно выполняется умножение в ком-
компьютерах (только вместо 10 используется 2).
Задача 57.
1. 21001 ¦ 2П = 22000. Чему равно п?
2. 21001 ¦ 2П = 1/4. Чему равно п?
3. Что больше: 10~3 или 2~10?
= 2501. Чему равно п?
4.
5.
2"
= ——. Чему равно п?
6. 4100 = 2". Чему равно п?
7. 2100 • З100 = а100. Чему равно а?
8. B10I5 = 2". Чему равно п?
Мы говорили, что принятое определение отрицательных
степеней неизбежно и что отказ от него приведет к путанице.
Сейчас мы поясним, что имелось в виду. Предположим, что
мы хотим определить отрицательные степени как-то иначе,
но так, чтобы по-прежнему выполнялось равенство ат+п =
= ат • ап при всех тип. Оказывается, что это невозможно.
В самом деле, при п = 0 должно быть ат ¦ а° = ат+0, т.е.
ат ¦ а0 = ат. Следовательно, а° = 1. Но тогда из а" • а~п =
— ап+(~п' = а0 = 1 с неизбежностью вытекает, что а~п = —.
ап
Что получится, если степень вновь возвести в степень?
Например,
(а2K = а2 • а2 • а2 = (а ¦ а) ¦ (а ¦ а) ¦ (а ¦ а) = а6.
3 раза
Аналогично,
(ат)п = атг
для любых положительных целых т, п. И вновь наши согла-
соглашения об отрицательных степенях «думают за нас»: оказы-
оказывается, что эта же формула верна и для отрицательных т
и п. Например,
/¦_-2\3 _ (' 1\ _ ! ! !_!_ -6 _ Л(-2)-з
\a2j а2 а2 а2 а6
Задача 58. Проверьте эту формулу для других ком-
комбинаций знаков (если т > 0, п < 0; если оба числа тип
отрицательны; если одно из них равно нулю).
Еще одна, последняя, формула такова:
(ab)n = an
Задача 59. Проверьте эту формулу при положительных
и отрицательных целых п.
Задача 60. Чему равно (-оO75 : а775 или -а775?
48 20. Формулы сокращенного умножения. Квадрат суммы
21. Как объяснить формулу (а + ЪJ = а2 + 2аЬ +
49
Задача 61. Чему равно f — 1 ? Верна ли ваша формула
для отрицательных п?
Мы определили степени с положительным и отрицатель-
отрицательным целым показателем. Однако на этом наши приключения
с определением степени не кончатся: вспомните, что помимо
целых чисел бывают и дробные.
Задача 62. Как Вы думаете, чему равно 41/2? А 271/3?
Можете ли Вы как-то обосновать свое предположение?
Впоследствии мы узнаем, как возвести число в дробную
степень.
20. Формулы сокращенного умножения.
Квадрат суммы
Мы уже сталкивались с формулой
(а + Ь)(т + п) = am + ап + Ьт + Ьп
(чтобы перемножить две суммы, нужно каждое слагаемое
первой умножить на каждое слагаемое второй, а потом все
сложить). Перемножим теперь две одинаковые скобки:
(л -Ь о) (л ¦+¦ Ь) = сих + аЬ + Ьа + ЬЬ.
Вспоминая, что ab = Ьа и что для аатЬЬ у нас есть удобные
обозначения а2 и б2, получаем
(a + b)(a + b) =а2 + 2аЪ + б2,
или
(а + бJ = а2 + 2аЬ + б2
Задача 63. Вычислить в уме: (а) 1012; (б) 10022.
Задача 64. Каждый из сомножителей увеличили на 10
процентов. На сколько процентов увеличится их произве-
произведение?
Словесная формулировка: «Квадрат суммы равен сумме
квадратов плюс удвоенное произведение слагаемых».
Обратите внимание на то, что похожие выражения «ква-
«квадрат суммы» и «сумма квадратов» обозначают разное: ква-
квадрат суммы — это (а 4- ЬJ, а сумма квадратов — это а2 + б2.
Задача 65. «Сын отца» и «отец сына» — это одно и то
же или нет?
21. Как объяснить формулу
(а + ЬJ = а2+2аЬ + Ь2
младшему брату или сестре
Добрый волшебник дарил приходившим к нему детям кон-
конфеты. Он любил дружных детей и давал каждому столько
конфет, сколько детей приходило. (Придя в одиночку, мож-
можно было получить одну конфету, а придя вдвоем — по две
каждому.)
Как-то раз к нему пришло а мальчиков. Каждый из них
получил а конфет — всего а2 конфет. Только они ушли,
пришли Ь девочек. Каждая получила по Ь конфет — всего
б2. Всего в этот день мальчики и девочки получили а2 + Ь2
конфет.
На следующий день а мальчиков и Ь девочек пришли вме-
вместе. Каждый из а + Ь ребят получил а + Ь конфет — всего
(а + ЬJ конфет. В какой день — первый или второй — маль-
мальчики и девочки вместе получили больше конфет и на сколько?
50
22. Квадрат разности
23. разность квадратов
51
а
Ь
а
Ь
Чтобы ответить на этот вопрос, можно рассуждать так.
Во второй день каждый из а мальчиков получил Ъ лишних
конфет (за пришедших девочек). Всего мальчики получи-
получили лишних аЬ конфет. Каждая девочка получила лишних а
конфет за мальчиков — всего лишних 6а конфет. В общей
сложности мальчики и девочки получили ab + ba = ЧаЬ лиш-
лишних конфет во второй день по срав-
сравнению с первым. Значит (а + ЬJ
больше а2 + б2 на величину 2а6. Та-
Таким образом, (а+ЬJ = a2+b2+2ab.
Задача 66. Разрезать ква-
квадрат со стороной а + 6 на квадрат
со стороной а, квадрат со стороной
6 и два прямоугольника со сторона-
сторонами а и 6.
Рис.6 Решение. См. рис.6.
22. Квадрат разности
Формула (а + ЬJ = а2 + Ь2 + lab является сокращенной запи-
записью бесчисленного множества равенств вроде E + 7J = 52+
+2 • 5 • 7 + 72 или A3 + \f = 132 + 2 • 13 • \ + (Ь2, которые
о о 3
получаются, если вместо а и о подставить конкретные чи-
числа. Эти числа могут быть и отрицательными. Подставим,
например, а = 7, 6 = —5.
G + (-5)J = 72 + 2 ¦ 7 • (-5) + (-5J.
Вспоминая, что плюс на минус дает минус, а минус на минус
дает плюс, можно записать
G - 5J = 72 - 2 ¦ 7 • 5 + 52.
Аналогичное равенство верно и для других чисел, так что в
общем виде можно записать
(а - ЬJ = а2 - ЧаЬ + Ь2
«Квадрат разности равен сумме квадратов минус удвоенное
произведение слагаемых».
Задача 67. Вычислить в уме: (а) 992; (б) 9982.
Задача 68. Что дают формулы (а + ЬJ = а2 + ЧаЬ + Ь2
и (а - бJ = а2 - ЧаЬ + Ь2 при (а) а = 6; (б) а = 26?
23. Разность квадратов
Задача 69. Перемножить а + 6 и а — 6.
Решение, (а+ 6) (а — 6) = а(а — 6) +Ь(а — 6) = а2 — аЪ +
+ Ьа — Ь2 = а2 — Ь2 (аЬ и 6а сокращаются). Получаем формулу
«разности квадратов»:
6)(а-6)
Задача 70. Перемножить в уме 101 и 99.
Задача 71. Из квадрата со сторо-
стороной а вырезан квадрат со стороной 6
(рис. 7). Разрезать получившуюся фи-
фигуру на части и сложить из них прямо-
прямоугольник со сторонами а — Ъ и а + 6.
Приведенные нами формулы (ква-
(квадрат суммы, квадрат разности и раз-
разность квадратов) называют формула-
ми сокращенного умножения.
Задача 72. Два целых числа, одно из которых на 2
больше другого, перемножили и к произведению прибавили 1.
а
а
Ь
52
23. Разность квадратов
23. Разность квадратов
53
Доказать, что получился точный квадрат (квадрат целого
числа). Например,
3-5 + 1 = 16 = 42,
13-15 + 1 = 196 = 142.
Первое решение. Обозначим меньшее число через п.
Тогда большее равно п + 2. Их произведение равно п(п + 2) =
= п2+2п. Прибавив 1, получим п2+2п+1 = (п+1J (формула
квадрата суммы).
Второе решение. Обозначим большее число через п.
Тогда меньшее равно п — 2. Произведение равно п(п — 2) =
= п2 — 2п. Прибавив 1, получим п2—2п+1 = (п — IJ (формула
квадрата разности).
Третье решение. Бели мы не хотим отдавать предпо-
предпочтение большему или меньшему из чисел, обозначим через п
число между ними. Тогда меньшее число равно п — 1, большее
равно п + 1, произведение равно (п + 1)(п — 1) = п2 — 1 (фор-
(формула разности квадратов), т.е. на единицу меньше точного
квадрата.
Задача 73. Напишем квадраты чисел 1, 2, 3, ...:
1, 4, 9, 16, 25, 36, 49, ...
и под каждыми двумя числами напишем их разность:
1 4 9 16 25 36 49 ...
3 5 7 9 11 13 ...
В нижнем ряду каждое число больше предыдущего на 2. По-
Почему?
Решение. Соседние числа п и п + 1 имеют квадраты
п2 и (п + IJ = п2 + 2п + 1. Разница квадратов равна 2п + 1,
и при увеличении п на 1 она увеличивается на 2.
Замечание. Последовательности чисел, в которых
каждое следующее число больше предыдущего на одну и ту
же величину (как в 3,5, 7,9,...), называют арифметическими
прогрессиями. С ними мы еще встретимся.
Задача 74. Есть правило, позволяющее находить квад-
квадрат чисел, кончающихся на 5: «отбросьте последнюю ци-
ФРУ 5, останется число п; умножьте п на п + 1 и к полу-
полученному числу допишите справа 25». Например:
352 : отбрасываем 5, остается 3; 3 • 4 = 12,
приписываем 25, получаем 1225.
1152 : 11 • 12 = 132; 1152 = 13225
Обосновать это правило.
Задача 75. Вычислить а Ь с
(а + Ь + сJ.
Решение.
(а + Ь + сJ =
= (а + Ъ + с)(а + Ъ + с) =
= а2 + аЬ + ас + Ьа + Ъ2 +
+Ъс + са + сЬ + с2 =
= а2 + Ь2 + с2 + ЧаЬ + Час + 2Ьс
(см. рис.8).
Задача 76. Вычислить (а + Ь — сJ.
Указание. Воспользуйтесь результатом предыдущей
задачи.
Задача 77. Вычислить (а + Ь + с)(а + Ъ — с).
Указание. Воспользуйтесь формулой разности ква-
квадратов.
а2
Ьа
са
аЬ
Ь2
сЬ
ас
Ьс
<?
Рис. 8
54
24. Куб суммы
24. Куб суммы
55
Задача 78. Вычислить (а + Ь + с)(а — Ь — с).
Указание. И здесь полезна формула разности квадра-
квадратов.
Задача 79. Вычислить (а + Ь — с) (а — Ь + с).
У к а з а н и е. Даже здесь полезна формула разности ква-
квадратов.
Задача 80. Вычислить (а2 - 2аЬ + Ъ2)(а2 + 2аЬ + Ь2).
Первое решение. Это равно
(а-ЬJ(а + ЬJ = {{а-Ь){а + Ь)J = (а2 - б2J = а4 - 2а262 + б4.
Второе решение.
(а2 - 2аЬ + б2)(а2 + 2аЬ + Ь2) =
= ((а2 + Ь2) + 2аЬ)((а2 + Ь2) - 2аЬ) = (а2 + б2J - Bа&J =
= а4 + 2а2& + Ь4 - Аа2Ь2 = о4 + б4 - 2а262.
24. Куб суммы
Найдем формулу для (а + ЬK. По определению
(а + ЬK = (а + Ь)(а + 6) (а + 6),
и можно было бы раскрыть скобки прямо так. Но мы пойдем
другим путем, заметив, что
(а + ЬK = (о + ЪJ(а + Ь) = (а2 + 2аЬ + Ь2)(а + Ь).
Раскрывая скобки, мы должны каждое слагаемое первой
скобки умножить на а, а затем на Ь и потом все сложить:
Вспоминая правило перемножения степеней с одинаковым
основанием (от • а" = ат+п) и записывая в каждом слагаемом
сначала а, а затем Ь, получим
о3 + 2а26+ аЬ2 +
+ а2Ь + 2аЬ2+Ь3.
В этой сумме есть подобные члены (отличающиеся лишь чис-
числовым множителем). Для наглядности они написаны друг
под другом. Собирая их вместе, получаем
(а + 6K = а3 + За2Ь + ЪаЪ2 + Ь3
Задача 81. Вычислить в уме II3.
Указание. 11 = 10 + 1.
Задача 82. Вычислить в уме 1013.
Задача 83. Чему равно (а — ЬK ?
Решение. Можно было бы действовать как раньше,
записав (а - ЬK = (а - ЪJ(а - Ь) = (а2 - 2аЬ + б2)(а - Ь) и
раскрыв скобки. Однако проще подставить в формулу для
(а + ЬK выражение (—6) вместо Ь:
(а + (-6)K = а3 + За2 • (-6) + За(-6J + (-6K
или
(а - бK = а3 - За26 + Заб2 - Ь3
= а2 а + 2аЬа + Ь2-а + а2-Ь + 2аЪ-
Ь.
(пользуемся тем, что минус на минус дает плюс, а плюс на
минус дает минус).
56
25. Четвертая степень суммы
25. Четвертая степень суммы
57
25. "Четвертая степень суммы
Прежде чем вычислять (а + бL, попытаемся угадать ответ.
Для, этого выпишем уже известные формулы:
(а + бJ = а2 + 2аЬ + Ь2
(а + бK = а3 + За26 + ЗаЬ2 + б3
Чтобы пополнить наш «экспериментальный материал», мож-
можно добавить к ним
(а + ЬI =а + Ъ.
Итак, вот что мы уже имеем:
(а + ЬI = а + Ь
(а + бJ = а2 + 2аЬ + Ъ2
(а + бK = а3 + За26 + Заб2 + б3
(а + бL = ???
Попробуем отгадать, что будет дальше. Сколько будет сла-
слагаемых? Конечно, пять. Каково будет первое слагаемое?
Конечно, а4. А следующее? Это уже сложнее. Разобьем во-
вопрос на два:
A) какие будут степени а и 6?
B) какие будут при них числовые коэффициенты?
Первый вопрос проще. Мы знаем, что
в (а + ЬI входят а и 6,
в (а + бJ входят а2, аЬ и б2,
в (а + бK входят а3, a2b, ab2 и Ь3,
поэтому есть все основания предположить, что
в (а + бL входят а4, а3Ь, а2Ь2, аЬ3, б4.
Теперь напишем коэффициенты — при этом для единообра-
единообразия напишем множитель 1 там, где его нет:
("И
("И
(ah
ITTFrt
H6I
ьбJ
h&K
нты:
=
1
1
1
1аЧ
la2
la3
1
2
3
-16
+ 2a&4
-1- 3a26 ¦
1
3 1
¦162
¦1- Заб2 + lb3
Первый из неизвестных коэффициентов, конечно, равен 1.
Второй, вероятно, 4 (поскольку над ним стоят 1, 2, 3)
1 1
12 1
13 3 1
14???
Еще два коэффициента можно угадать. Так как в (а + ЬL
буква. Ь ничем не хуже буквы а, то коэффициент при Ь4 та-
такой же, что и при а4, а коэффициент при ab3 такой же, как
при а3 6:
1
1
1
1
1
2
3
4
1
3
1
4
Что же касается коэффициента при а2б2, то так просто его не
угадаешь — надо вычислять. Сделаем это, снова записывая
58
26. (а + бM, (а + бN и треугольник Паскаля
26. (а + бM, (а + Ь)в и треугольник Паскаля
59
подобные члены друг под другом:
(а + ЬL = (а + 6K(а + 6) = (а3 + За26 + Заб2 + 63)(а + 6) =
= а3 ¦ а + За26 • а + Заб2 • а + Ь3 ¦ а +
+ а3 • Ъ + ЗаЧ ¦ Ь + Заб2 ¦ Ь + Ь3 ¦ Ь =
= а4 + За36 + За262 + а&3 +
+ За3Ь + За262 + Заб3 + б4.
Объединяя (или, как говорят, «приводя») подобные члены,
получаем
(а + бL = а4 + 4а3Ь + 6а262 + 4а3Ь + б4
Все наши догадки подтвердились; кроме того, мы нашли
коэффициент при a2b2, оказавшийся равным 6.
26. (а + 6M, (а + 6N
и треугольник Паскаля
В формуле для (а + ЬM ожидаются члены
а5 а4Ь а%2 а2Ь3 аЬ4 Ь5
и коэффициенты
1 5 ? ? 5 1
Чтобы узнать два средних коэффициента — надо полагать,
они будут одинаковыми — поступим как обычно:
(а + бM = (а4 + 4а3Ь + 6а262 + 4а63 + б4) (а + Ь) =
= а* -а + 4а36 • а + 6а262 • а + 4а63 • а + б4 • а +
+ а4 • Ь + 4а3Ь • Ь + 6а2Ь2 • Ь + 4аЬ3 • Ь + б4 • Ь =
= а5 + 5а46 + Юа362 + 10а263 + 5а64 + б5.
Итак, наша таблица коэффициентов пополнилась еще од-
одним рядом:
11
12 1
13
14
15
3
6
10
1
4
10
1
5
Быть может, Вы уже заметили закономерность: в следующей
строке коэффициент получается сложением двух коэффици-
ентов предыдущей — стоящего над ним и стоящего слева
вверху: 1 + 4 = 5, 4 + 6 = 10, 6 + 4 = 10, 4 + 1 = 5.
Причина этого станет ясной, если в нашем вычислении
(а + бM оставить только коэффициенты:
1... +4... + 6..
+ 1... + 4..
1... +5... +10..
+ 4... +1... +
+ 6... +4... +1
+10... +5... +1
Для красоты таблицу коэффициентов можно записать
симметрично и еще дописать сверху 1, так как (а + b)° = 1.
Получается треугольник
1
3
1
2
1 4
1 5
1 2 1
13 3 1
6 4 1
10 10 5
который можно продолжать вниз„по правилу:' каждое число
равно сумме двух чисел над ним (кроме крайних, которые
равны 1). Например, следующий ряд будет
1 6 15 20 15 6 1
60
27. Многочлены
2,7. Многочлены
61
и это дает формулу
(а + бN = а6 + 6а5Ь + 15а4Ь2 + 20а363 + 15а264 + баб5 + Ьв
Построенный нами треугольник называется треугольни-
треугольником Паскаля (Блез Паскаль [1623-1662] — французский ма-
математик и философ).
Задача 84. Чему равно II3 , II4, II5, II6?
Задача 85. Напишите формулу для (а + ЬO.
Задача 86. Напишите формулы для (а —ЬL, (а — ЬM,
(а - bf.
Задача 87. Сложите числа в каждой из строк треуголь-
треугольника Паскаля: не замечаете ли Вы закономерности?
Задача 88. Что дают формулы (а + ЬJ, (а + ЬK, (а + ЬL,
(a + bf... при 6 = а?
Задача 89. Нет ли связи между двумя предыдущими
задачами?
Задача 90. Что дают формулы (а + ЬJ, (а + бK, (а + бL,
(а + ЬM... при Ъ = -а ?
27. Многочлены
Многочленом называют выражение, составленное из букв и
чисел с помощью операций сложения, вычитания и умноже-
умножения. Входящие в него буквы называют переменными. При-
Примеры многочленов:
а4 + а3Ь + аЬ3 + Ь4,
(о + Ь) (а + 26) +аЬ,
(х + у)(х-у)-(у- х)(у + х),
0,
(х + уI00.
В этих примерах, помимо сложения, вычитания и умноже-
умножения, используется возведение в целую положительную сте-
степень. Это допустимо, так как оно сводится к умножению
(а4, например, есть сокращение для а ¦ а ¦ а • а). Но а~7 или
ху — не многочлены.
Одночленом называется многочлен, не содержащий сло-
сложения и вычитания, т. е. являющиеся произведением букв и
чисел. Примеры одночленов:
5 • а • 7 • Ь • а,
127 а15,
(-2) а?Ъ
(в последнем примере знак минус — это не вычитание, а
часть обозначения числа «—2»).
Записывая одночлен, обычно группируют вместе числа и
одинаковые буквы: вместо 5 • а • 7 • Ъ ¦ а пишут 35 а2 Ъ.
Обратите внимание, что одночлен — это тоже многочлен:
в математике часто один — это уже много. (Математики
говорят о «множестве решений» какого-то уравнения, даже
если у него только одно решение или решений вообще нет.)
Раскрывая скобки, любой многочлен можно преобразо-
преобразовать в сумму одночленов. Например,
(а
Ь3) =аа3 + аЪ3 + Ьа3+ЬЬ3 = а4 + аЪ3
(а + Ь)(а + 26) = а2 + 2аЪ + Ъа + Ъ2.
Ьа3
При этом могут возникнуть подобные члены — содержащие
одни и те же буквы в одинаковых степенях. Например, во
62
27. Многочлены
28. Какие многочлены считать равными?
63
втором из только что приведенных примеров одночлены 2аЬ
и 6а подобны. Подобные одночлены можно объединить:
(а + Ь)(а + 26) = а2 + 2а& + Ьа + б2 = а2 + Заб + б2.
Эту операцию называют «приведением подобных членов».
Задача 91. Многочлен A + х + у)A2 — zx — у) пре-
преобразовать в сумму одночленов и привести подобные члены.
Решение.
A + х - у)A2 - zx - у) =
= 12 — zx — у + 12дг — xzx — ху— Yly + yzx + у2 =
= 12 — zx — 13у + 12дг — zx2 — ху + yzx + у2
(подобные члены подчеркнуты).
Строго говоря, это еще не все: по условию должна быть
сумма одночленов, а у нас есть вычитание. Это легко испра-
исправить, записав
12 + (-l)zx + (-13)у + 12дг + (-l)zx2 + (-l)ary + ly^rar + ly2
(для единообразия мы добавили множители 1).
Стандартным видом многочлена называют его запись в
виде суммы одночленов, в которой каждый одночлен есть
произведение числа (коэффициента) и степеней различных
букв, причём подобные члены уже приведены. Решая преды-
предыдущую задачу, мы привели многочлен A + х + у) A2 — zx — у)
к стандартному виду.
Чтобы сложить два многочлена в стандартном виде, до-
достаточно сложить коэффициенты при подобных членах. При
этом некоторые члены могут сократиться:
A + {-2))х + ((-1) + 1)у
(-2)х + \z) =
lz = (-l)ar + Оу + lz = (-l)ar + \z.
При умножении надо умножить каждое слагаемое на каж-
каждое. Умножая два одночлена, мы складываем степени при
каждой переменной:
(а567с) • (а3^4) = a^b^cd* = а%&с^.
После этого надо привести подобные. Например,
(х-у)(х2 + ху + у2) = х3 + х^ + х^-ух^-х^-у3 =х3-у3.
(Подобные члены подчеркнуты одинаково; дотошный чита-
читатель отметит, что мы нарушили правила записи многочленов
в стандартном виде, опустив коэффициенты —1 и 1.)
Задача 92.
1. Перемножить A + х)A + х2).
2. Перемножить A + х)A + х2)A + х4)A + х8).
3. Перемножить A - х)A + х)A + х2)A + х4)A + х8).
4. Найти A + х + х2 + х3J.
5. Найти A + х + х2 + х3 + ...+ х9 + х10J.
6. Найти коэффициент при аг30 и х29 в
A + X + X2 + X3 + . . . + X9 + X10K.
7. Перемножить A — х)A + х + х2 + х3 + ... + х9 + х10).
8. Перемножить (а + 6) (а2 — аб + б2).
9. Перемножить A — х+х2 — х3+х4—х5+х6—х7+х8—х9+х10)
И A+ X + X2 + X3 + X4 + X5 + X6 + X7 + X8 + X9 + X10).
28. Отступление: какие многочлены
считать равными?
Понятие «равны» для многочленов может определяться по-
разному. Первый вариант: многочлены считаются равными,
64
28. Какие многочлены считать равными?
29. Сколькр одночленов останется?
65
если один из них может быть преобразован в другой по пра-
правилам алгебры (раскрытием скобок, приведением подобных,
вынесением за скобку и т.п.). Второй вариант: многочле-
многочлены считаются равными, если при подстановке любых чисел
вместо букв они принимают одно и то же числовое значение.
Оказывается, что эти два варианта эквивалентны: много-
многочлены, равные в одном смысле, равны и во втором. В самом
деле, если один многочлен преобразуется в другой по прави-
правилам алгебры, то эти преобразования сохраняют силу и по-
после подстановки чисел вместо букв. Обратное утверждение
(«если два многочлена принимают одинаковые значения при
подстановке любых чисел вместо букв, то один из них может
быть преобразован в другой») доказать не так просто, и мы
примем его на веру без доказательства.
Бели мы хотим убедить кого-то, что два многочлена рав-
равны, удобен первый вариант определения: достаточно пока-
показать, как один многочлен преобразуется в другой. Напротив,
если мы хотим убедить кого-то, что многочлены не равны,
удобней второй вариант: достаточно указать числовые зна-
значения букв, при которых многочлены принимают различные
числовые значения.
Задача 93. Не раскрывая скобок, убедиться, что
(х -1)(х- 2)(х - 3)(х - 4) ф (х + 1)(х + 2)(яг + 3)(а? + 4)
Решение. При подстановке х = 1 левая часть обраща-
обращается в нуль, а правая нет.
Задача 94. В верном равенстве многочленов
два числа стерли, заменив точками. Что это были за числа?
Указание. Подставить х = — 1 и х = —3.
Пусть теперь нам даны два многочлена, про которые не-
неизвестно заранее, равны они или нет. Как это узнать? Мож-
Можно подставить на пробу какие-то числа, и сделать несколько
проб. Бели хоть раз получатся разные результаты, то много-
многочлены не равны. Если же нет, то есть основания подозревать,
что они равны.
Задача 95. Ваня подставил в многочлены (х +IJ — (ж —
— IJ и х2 + 4х — 1 числа 1 и —1 вместо х и утверждает, что
эти многочлены равны. Прав ли он?
Решение. Нет: достаточно подставить х = 0.
Так что подозрения — не доказательство (хотя впоследст-
впоследствии мы увидим, что иногда конечного числа проверок бывает
достаточно).
Чтобы проверить, равны ли два многочлена, их можно
привести к стандартному виду. Бели после этого они отли-
отличаются лишь порядком одночленов или порядком сомножите-
сомножителей в одночленах, то они, очевидно, равны. Бели асе нет, то
можно доказать, но мы примем это на веру — многочлены
не равны.
Иногда равные многочлены называют «тождественно рав-
равными», подчеркивая, что имеется в виду равенство для всех
числовых значений букв. Так, например, многочлен а2 — Ь2
тождественно равен многочлену (а — Ь)(а + Ь).
29. Сколько одночленов останется?
Задача 96. Какое максимальное количество одночленов
может быть в произведении двух многочленов, каждый из
которых содержит 4 одночлена?
66
29. Сколько одночленов останется?
Замечание. Ко всякому многочлену можно добавить
фиктивные одночлены с коэффициентом 0:
х3 + 4 = х3 + Ох2 + Ох + 4.
Такие одночлены мы не учитываем.
Решение. Перемножим многочлены (а + b + е + d) и
(х + у + z + и):
(а + 6 + с + d)(x + y + z + u) =
= ах + ay + az + аи +
+ bx+by + bz+bu +
+ cx+cy+cz+cu +
+ dx + dy + dz + du .
Всего 16 членов. Ясно, что больше 16 быть не может (каждый
из четырех одночленов первого многочлена умножается на
четыре одночлена второго).
Задача 97. Может ли произведение двух многочленов,
каждый из которых содержит 4 одночлена, состоять меньше
чем из 16 одночленов?
Решение. Да: среди 16 одночленов могут оказаться
подобные. Например,
A+х+х2+х3)A+х+х2+х3) = 1+2х+Зх2+4х
+х6
и из 16 членов после приведения подобных остается всего 7.
Задача 98. Может ли при перемножении двух нену-
ненулевых многочленов получиться так, что вообще все члены
сократятся друг с другом?
Ответ. Нет.
30. Коэффициенты и значения
67
Замечание. Вероятно, эта задача кажется Вам бес-
бессмысленной, ведь и так ясно, что такого быть не может. В
этом случае советуем вернуться к ней позднее.
Задача 99. Может ли при перемножении двух много-
многочленов и последующем приведении подобных остаться един-
единственный одночлен? (Случай, когда каждый из многочленов
состоял из одного одночлена, нас не интересует.)
Задача 100. Может ли при перемножении двух много-
многочленов получиться многочлен, в котором меньше одночленов,
чем в каждом из сомножителей?
Решение. Да:
(х2 + 1ху + 2у2)(х2 - 2ху +
= {{х2 + 2у2) + 2ху)((х2
= (х2 + 2у2J - BхуJ =
= х4 + 4х2у2 + 4у4 - 4аг2у2 =
= хА + 4у4.
2у2) =
+ 2у2) - 2ху) =
30. Коэффициенты и значения
Вспомним треугольник Паскаля и формулы для (а + &)":
1
1 1
12 1
13 3 1
14 6 4 1
(а + Ь)°
(а + 6I
(а + ЬJ
(а + ЬK
(а + 6L
1
1а + 16
1а2 + 2а6 + 162
1а3 + За26 + Заб2 + Ь3
1а4 + 4а36 + 6а262 + 4а63
Каждая из этих формул является равенством двух многочле-
многочленов. Из этого равенства можно получить множество число-
числовых равенств, подставив вместо a is. b конкретные числа.
68
30. Коэффициенты и значения
Задача 101.
6=1?
Решение.
Что получится, если подставить а = 1,
1)° =
( )
A + 1J
A + 1K
A + IL
1
1 + 1
1 + 2 + 1
1+3+3+1
1+4+6+4+1
Поскольку 1 + 1 = 2, мы доказали, что сумма чисел в лю-
любой строке треугольника Паскаля является степенью двойки.
Задача 102. Сложив числа в строках треугольника Па-
Паскаля с чередующимися знаками, получаем нули:
1-1 = 0
1-2+1=0
1-3+3-1=0
1-4+6-4+1=0
Почему так получается?
Указание. Подставьте а = 1, Ь = —1.
Задача 103. В многочлене A + 2хJ00 раскрыли все
скобки, приведя его к стандартному виду (сумма степеней х
с коэффициентами). Чему равна сумма коэффициентов?
Указание. Подставьте х = 1.
Задача 104. Тот же вопрос что и в задаче 103, но для
многочлена A — 2жJ00.
Задача 105. Многочлен A + х — уK привели к стан-
стандартному виду. Чему равна сумма коэффициентов?
31. Разложение на множители
69
Задача 106. (Продолжение.) Чему равна сумма коэф-
коэффициентов при тех одночленах, которые не содержат у?
Задача 107. (Продолжение.) Чему равна сумма коэф-
коэффициентов при тех одночленах, которые содержат х1
31. Разложение на множители
Умножение многочленов — операция подчас трудоемкая, но
не требующая сообразительности — надо лишь аккуратно
следовать правилам. Обратная операция — разложение мно-
многочлена в произведение нескольких множителей — требует
большей изобретательности (а иногда и вообще невыполни-
невыполнима). Мы разберем сейчас несколько приемов.
Задача 108. Разложить на множители многочлен ас +
d b bd.
Решение. ас + ad + be + bd = а(с + d) + b(c + d) —
= (a + b)(c + d).
Задача 109. Разложить на множители многочлены:
(а) ас + be — ad — bd;
2 3
а
а
3;
(б) 1
(в) 1+а + а2+а3 + ... + а13 + а14;
(г) х4 - х3 + 2х - 2.
Иногда оказывается необходимым разбить один член на
два, прежде чем удастся сгруппировать члены подходящим
образом:
Задача 110. Разложить на множители многочлен а2 +
36 262
Решение. а2 + 3а6+62 = а2 + ab + 2ab + 262 = а(а + Ь) +
+ 26(а + Ь) = (а + 2Ь)(а + Ь).
70
31. Разложение на множители
Задача 111. Разложить на множители:
(а) а2 -ЗаЬ + 2Ь2;
(б) а2 + За + 2.
Формулу квадрата суммы можно прочесть «справа нале-
налево», рассматривая ее как разложение многочлена а2 + 2аЬ + Ь2
на множители. Это же разложение можно получить так:
а2+2аЬ+Ь2 = а2 + аЬ+аЪ+Ъ2 = а{а+Ь)+Ь{а + Ь) = (а + Ь)(а+Ь).
Задача 112. Разложить на множители:
(а) а2 + 4а6 + 462;
(б) а4 + 2а262 + б4;
(в) а2 - 2а + 1.
Иногда оказывается необходимым добавить и вычесть не-
некоторые одночлены. Этот прием мы продемонстрируем на
примере многочлена а2 — Ь2 (хотя его разложение нам и так
известно):
а2 - Ъ2 = а2 - аЪ + аЬ - Ь2 = а(а - Ь) + Ь(а - Ь) = (а + Ь)(а - 6).
Задача 113. Разложить на множители х5 + х + 1.
Решение.
хъ + х + 1 = хб + х4 + х3 - х4 - х3 - х2 + х2 + х + 1 =
= х3{х2 + х + 1) - х2(х2 + х + 1) + (х2 + х + 1) =
Возможно, это решение обескуражило Вас — непонятно, как
до него догадаться. Авторам это тоже непонятно.
Посмотрим на разложение а2 — Ъ2 — (а + Ь)(а — 6) еще
с одной точки зрения. Если а — Ь, то а — 6 = 0и правая
часть обращается в нуль (один сомножитель равен нулю).
31. Разложение на множители
71
Значит, и левая тоже. Это и понятно: если а = 6, то а2 = Ъ2.
Аналогично, если а + Ь = 0, то а2 = Ь2 (в этом случае а = — Ъ и
а2 = Ь2: от изменения знака числа его квадрат не меняется).
Задача 114. Доказать, что если а2 = б2, то а = Ъ или
а = -Ь.
Таким образом, раскладывая выражение на множители,
полезно поинтересоваться, когда оно равно нулю — это мо-
может подсказать сомножители.
Задача 115. Разложить на множители а3 — б3.
Решение. Выражение а3 — б3 обращается в нуль, если
а = Ь. Поэтому можно предположить, что одним из множите-
множителей будет а — Ъ. После этого найти разложение не так сложно:
а3-Ь3 = а3 - a2b + a2b- аЬ2 + аЪ2 -Ъ3 = а2(а-Ь)+аЬ(а-Ь) +
+ Ь2(а -Ь) = (а2 +аЬ + Ь2)(а - 6).
Задача 116- Разложить на множители а3 + б3.
Решение. а3 + б3 = а3 + а26 - а26 - аЬ2 + аб2 + б3 =
= а2(а + 6)-а6(а + 6) +62(а + 6) = (а2 - аЬ + Ь2)(а + Ь).
Это же разложение можно получить из предыдущего, под-
подставив (—6) вместо Ь.
Задача 117. Разложить на множители а4 — б4.
Решение, а4 - б4 = а4 - а36 + a3b - а2& + a2b2 - аЬ3 +
+ аЬ3 - б4 = а3(а - Ь) + а26(а - Ь) + аЬ2{а - Ь) + Ь3(а - Ь) =
= (а - 6)(а3 + а26 + а&2 + б3).
Заметим, что а4 — б4 можно разложить и иначе:
а4-&4 = (а2-62)(а2+&2).
Оба разложения получаются из разложения
(а4 - б4) = (а - 6)(а + 6)(а2 + б2)
различной группировкой сомножителей.
72
31. Разложение на множители
Задача 118. Разложить на множители:
(а) а5 - б5;
(б) а10 - б10;
(в) а7 - 1.
Задача 119. Разложить на множители а2 — 4Ь2.
Решение. Воспользовавшись тем, что 4 = 22, запишем
а2 - 462 = а2 - 22Ъ2 = а2 - B6J = (а - 26)(а + 26).
Попытаемся применить тот асе прием к многочлену а2 —
— 2Ь2. Здесь нам понадобится число, называемое «квадрат-
«квадратный корень из двух», обозначаемое у/2 и равное примерно
1.4142... — его главное свойство состоит в том, что его
квадрат равен 2: {у/2J = 2. (Вообще квадратным корнем из
неотрицательного числа а называется неотрицательное чис-
число, квадрат которого равен а. Это число обозначается у/а.
Такое число всегда существует, причем только одно; к воп-
вопросу о квадратных корнях мы еще вернемся.)
С помощью квадратного корня из 2 мы можем записать:
а2 - 2Ъ2 = а2 - (\/2ЬJ = (а - уЯь)(а + у/2Ь).
Таким образом, нам удалось разложить а2 — 262 на множи-
множители, правда, в качестве коэффициента пришлось использо-
использовать >/2-
Замечание. Запишем
а - Ъ = {y/af - (VbJ = (y/a-y/b)(y/a+ y/b).
Значит ли это, что нам удалось разложить а — Ъ на множите-
множители? Конечно, нет, так как у/а — у/В — не многочлен (опера-
(операция извлечения квадратного корня не допускается в много-
многочленах — только сложение, вычитание и умножение). А как
же а — у/2Ь? Почему мы считаем это выражение многочле-
многочленом? Дело в том, что многочлен — по нашему определению —
31. Разложение на множители
73
строится из букв и чисел с помощью операций сложения, вы-
вычитания и умножения. A v2 — самое настоящее число (хотя
и равное квадратному корню из другого числа). Так что все
в порядке.
Задача 120. Разложить на множители:
(а) а2 - 2;
(б) а2 - 362;
(в) а2 + 2аЬ + Ь2 - с2;
(г) а2 + АаЪ + 362.
Задача 121. Разложить на множители а4 + б4. (Извест-
(Известное нам разложение для а — Ь тут не помогает, так как под-
подставив в него (—6) вместо Ь, мы ничего нового не получаем.)
Решение. Применим хитрость: добавим и вычтем
2а262:
а4 + б4 = а4 + 2а262 + Ь4 - 2а262 = (а2 + Ь2J - {уДаЬJ =
= (а2 + Ь2 + у/2аЪ)(а2 + Ъ2 - у/2аЪ).
Подведем некоторые итоги. Мы научились разлагать на
множители ап — Ъп при любом п (один из множителей равен
а — Ъ). При нечетном п из этого разложения можно получить
разложение для а" + Ъп (подстановка —6 вместо 6; один из
множителей равен а + Ь). Остаются еще многочлены о2 + Ь2,
а4+64, ае+Ье и т. д. Для второго из них мы нашли разложение
на множители.
Задача 122. Какие еще многочлены вида а2" + Ь2п мож-
можно разложить на множители?
Указание, а6 + Ье = (а2K + (б2K. Аналогичный прием
можно применить в случаях, когда п имеет нечетный дели-
делитель, больший 1, или делится на 4 — мы научились разлагать
на множители все многочлены вида а" + Ъп, кроме а2 + Ь2.
74
31. Разложение на множители
Разложить а2 4- Ъ2 можно было бы так:
а2 + Ъ2 = а2 - (>/=1 -ЬJ = (а- >/=1 • Ь)(а + у/=1 ¦ Ь),
да вот беда — квадратного корня из —1 (т. е. числа, квадрат
которого равен —1) не существует, так как квадрат любого
ненулевого числа положителен. Ну что ж, решили математи-
математики, если такого числа нет, то его надо выдумать. И выду-
выдумали — и получились числа, которые назвали комплексными.
Но это уже другая история.
Задача 123. Как Вы думаете, чему равно произведение
двух «комплексных чисел»: B 4- 3\/—1) и B — Зу/— 1)?
В заключение — несколько задач потруднее.
Задача 124. Разложить на множители:
(а) я4 + 1;
(б) х(у2 - z2) + y(z2 - х2) + z(x2 - у2);
(в) а10 + а5 + 1;
(г) а3 + б3 + с3 - За&с;
(д) (а + 6 + сK-а3-63-с3;
(е) (а-6K + F-сK + (с-аK.
Задача 125. Доказать, что если а,Ь > 1, то а+Ь < 1+аЬ.
Указание. Разложить на множители A + ab) — (а + Ь).
Задача 126. Доказать, что если а2 + ab + Ь2 — 0, то
а = 0 и Ь — 0.
Указание. Вспомнить разложение для а3 — б3. (Другое
решение мы увидим дальше, когда речь пойдет о квадратных
уравнениях.)
Задача 127. Доказать, что если а + Ъ + с = 0, то а3 -+¦
+ б3 + с3 = За&с.
32. Рациональные выражения
75
Задача 128. Доказать, что если
а
1
-
а
1
Г
Ь
1
-.
с
то среди чисел а, 6, с есть равные по величине и противопо-
противоположные по знаку (т. е. а = —6, а = —с или Ь = —с).
32. Рациональные выражения
В многочленах не разрешается деление (только сложение, вы-
вычитание и умножение). Если деление разрешить, получится
то, что называют «рациональными выражениями». (Единст-
(Единственное ограничение: то, на что делят, не должно тождествен-
тождественно равняться 0.)
Примеры рациональных выражений:
(а)-;
(б)
а/Ь
Ь/с'
(в)
(г)
X
1 +
1 +
(д)
X
У
У
X
_j_
+
У.-
Z
Z
- А
V
Z
X
X
\- -
Z
. х3 + х2 4- х + 1
1; (е)—х-г-i—; <ж>
(Отметим, что, например,
Х2-Х2
не рациональное выра-
х — х
жение, так как знаменатель тождественно равен 0.)
Заметим, что разрешение использовать деление не обязы-
обязывает его использовать — так что любой многочлен является
рациональным выражением.
76
33- Частное двух многочленов
33. Преобразование
рационального выражения
в частное двух многочленов
Рациональное выражение может включать в себя несколько
операций деления. Однако его можно преобразовать так,
чтобы операция деления была единственной, и притом по-
последней. Другими словами, всякое рациональное выражение
может быть преобразовано в частное двух многочленов.
Делается это с помощью таких приемов.
р
1. Сложение. Пусть мы хотим сложить дроби — и
R PR
—, где P,Q,R,S — многочлены. Приведем дроби — и —
ib Q о
к общему знаменателю (если не придумаем ничего лучшего,
можно домножить Р и Q на S, a R и S на Q):
R
PS QR
PS + QR
2.
3.
4.
Q S
В ычитание
P R
Q S
Умножение
Деление:
QS
QS
аналогично:
PS
QS
P
Q
p /
R
S
' R
QR
QS
PR
QS'
PS
QS
PS-QR
QS
Q/ S QR
В ходе преобразований иногда удается сократить дробь, вы-
выделив один и тот же множитель в числителе и знаменателе:
РХ Р
QX ~ Q-
33. Частное двух многочленов
77
Задача 129. Преобразовать выражения (б)-(д) и (ж) из
приведенных нами в качестве примеров к указанному виду
(выражения (а) и (е) уже имеют такой вид).
Ответы и решения.
<б> $ « ??
(г)
2х + 1
1 +
Ответ.
У
За;+ 2 ~ За;+ 2'
2а; + 1
x
1 -
у2х + z2y)/xyz
— -I- - -4- —
xyz
(x2z + у2х + z2y) • xyz
(y2z + z2x + x2y) ¦ xyz
x2z + y2x + z2y + y2z + z2x + x2y
+ 1 _ (x2z + y2x + z2y) t i _
(y2z + z2x + x2y)
y2z + z2x + x2y
(ж)
2ab
a + b
Отметим, что при преобразованиях одного и того же вы-
выражения можно получить разные ответы. Например, выра-
выражение
X3 + X2 + X + 1
х2 — 1
78
33. Частное двух многочленов
можно оставить как есть, а можно разложить числитель и
знаменатель на множители и сократить:
х3 + х2 + х + 1 _ (х + 1)(х2 + 1)
х2
Замечание. Строго говоря, сокращение — не вполне
законная операция, ведь при некоторых значениях перемен-
переменных сокращаемое выражение может равняться нулкз. Напри-
х3 + х2 + х + 1 х2 + 1
мер, ~ не имеет смысла при х = — 1, а —
х2 — 1 х — 1
имеет. Обычно на этот эффект не обращают внимания, но
иногда он становится важным.
Часто предлагаются задачи, в которых требуется «упро-
«упростить выражение» — привести его к наиболее простому виду.
Хотя простота — это дело вкуса, в таких задачах обычно яс-
ясно, чего хотят их авторы.
Задача 130. Упростить выражение
(х-а)(х-Ь) (х-а)(х-с) (х-Ь)(х-с)
(с-а)(с-Ь) (Ь-а)(Ь-с) (а-Ь)(а-с)'
Решение. Сложим две первые дроби, приведя их к об-
общему знаменателю (с — а)(с — Ь)(Ь — а) (числитель и знамена-
знаменатель первой дроби умножаем на Ъ — а, числитель и знамена-
знаменатель второй — на с — а; используем, что 6 — с=—(с — &)):
(х — а)(х — Ь) (х — а)(х — с) _
(с-а)(с-Ь) + (Ь-а)(Ь-с) ~
_ (х — а)(х — Ъ)(Ъ — а) — (х — а)(х — с)(с — а) _
~ (с-а)(с-Ь)(Ь-а) ~
= (х - а)[(х -Ь)(Ь-а)-(х- с)(с - а)] =
33. Частное двух многочленов
79
_ (х — а)[хЪ — ха_ — Ь2 + аЪ — хс + ха + с2 — ас] _
~ (с-а)(с-Ь)(Ь-а) =
_ (а? - а)[х(Ь - с) + а(Ь - с) - (Ь - с)(Ъ + с)] _
~ (с - а)(с - Ь)(Ь - а)
_ (х — а)(Ь — с)(х + а — Ъ — с)
(с-в)(с-6)F-в) ¦
Сократив на (с — 6) = — F — с), получаем
(х — а) (Ъ + с — а — х)
(с-а)(Ь-а) •
Прибавим теперь третью дробь (знаменатели у них одинако-
одинаковы):
(х — а)(Ь + с — а — х) (х — Ъ)(х — с) _
(с-а)(Ь-а) + (а-Ь)(а-с) =
xb + хс — ха — х2— аЪ — ас + а2 + ах + х2— хЪ — хс + Ъс
= (с-а)(Ь-а) =
_ а2 + Ъс — аЬ — ас _ а(а — Ъ) — с(а — Ъ) _ (а — с) (а — 6)
~ (с-а)(Ь-а) ~ (с-а)F-а) ~(с-а)F-а)
Итак, мы доказали тождество
(х — а)(х — Ъ) (х — а)(х — с) (х — Ъ)(х — с)
= 1.
(c-a)(c-b) (b-a)(b-c) (a - b)(a - c)
= 1.
(с-а)(с-Ь)(Ь-а)
Задача 131. Проверить это тождество для частных
случаев х — а, х — Ь л х = с.
Мы увидим впоследствии, что этой проверки на самом
деле достаточно, чтобы убедиться в истинности тождества.
Так что можно было бы избежать утомительных вычислений,
которые мы провели.
80
33. Частное двух многочленов
В заключение — несколько задач, в которых встречаются
рациональные выражения.
Выражение
1
(обратное к среднему арифметическому чисел, обратных к
числам а и Ъ) называется средним гармоническим чисел а и
Ъ. Оно часто встречается в различных задачах.
Задача 132. Бассейн разделен на две равные части,
каждая из которых наполняется своей трубой — одна за а ча-
часов, другая за Ъ часов. За сколько часов наполнится бассейн,
если включить обе трубы, убрав перегородку?
Задача 133. Двигаясь по течению реки, катер проходит
путь из А в Б за а часов, против течения (из Б в А) — за Ъ
часов. За сколько времени он прошел бы путь из А в Б, если
бы течения не было? (Скорость катера и течения считать
постоянными).
Задача 134. Первую половину пути машина ехала со
скоростью vi, вторую — со скоростью V2- Какова ее средняя
скорость?
Задача 135. Известно, что х -\— = 7. Вычислить
х
* -, (б) х* + -L
Задача 136. Число х-\ целое. Доказать, что число
1
хп Н для любого п = 1,2,3,... также является целым.
хп
х
Задача 137. Преобразовывая выражение (г) на стра-
странице 77, мы обнаружили, что
34. Рациональнее дроби с одной переменной
81
ж + 1
2х + 1'
1 +
Зх + 2'
1 +
X
Записав в виде отношения многочленов рациональные выра-
выражения
1 +
1 +
1 +
1 +
1 +
1 +
1 +
X
попытайтесь обнаружить закономерность, которой подчиня-
подчиняются коэффициенты этих многочленов. (Такого рода вы-
выражения называются непрерывными дробями; коэффициенты
многочленов в нашей задаче оказываются так называемыми
числами Фибоначчи, см. стр. 112.)
34. Многочлены и рациональные дроби
с одной переменной
Если многочлен содержит только одну переменную, то при
записи его в стандартном виде одночлены обычно распола-
располагают в порядке убывания показателей степени. Одночлен
максимальной степени называют старшим членом, а его сте-
степень — степенью многочлена. (Члены с нулевыми коэффи-
коэффициентами не учитываются. Для многочлена, равного нулю,
степень не определена.) Например, многочлен 7х2 + Зх + 1
82
35. Деление многочленов с остатком
имеет старший член 7х2, а степень его равна 2. Многочлена-
Многочленами степени 0 считают числа, не равные 0.
Задача 138. Каков старший член у многочлена Bх +
+ 1M?
Задача 139. Один многочлен имеет степень т, а дру-
другой п. Какова степень их произведения?
Решение. При перемножении старших членов полу-
получится одночлен степени т + п (так как хт ¦ хп = хго+п),
коэффициент при котором будет равен произведению коэф-
коэффициентов при хт и хп. Этот одночлен ни с чем сократиться
не может, так как все другие попарные произведения имеют
меньшую степень.
Задача 140. Какую степень может иметь (а) сумма
многочлена степени 7 и многочлена степени 9? (б) сумма
двух многочленов степени 7?
Ответ, (а) 9; (б) любую, не превосходящую 7.
Задача 141. В многочлен степени 10 с одной перемен-
переменной х подставили вместо х выражение у7 + Ъу2 — у — А. Мно-
Многочлен какой степени получится?
35. Деление многочленов с остатком
Обыкновенные дроби, числитель и знаменатель которых —
целые положительные числа, бывают правильные и непра-
неправильные. Правильные — это те, у которых числитель меньше
3 1 7
знаменателя. Например, — и — — правильные дроби, а —,
11
37
15
— или неправильные.
11 7
Из неправильной дроби можно выделить целую часть,
разделив с остатком числитель на знаменатель; останется
правильная дробь:
35. Деление многочленов с остатком
83
7= 1-5 + 2
(частное 1, остаток
37 = 5 • 7 + 2
(частное 5, остаток
11 = 1-11 +0
(частное 1, остаток
2)
2)
0)
7 2
5=1 + 5
37 2
у-5 + -
11 1
п=1
7
5
2
37
35
2
11
1 1
11
"о"
Сейчас мы научимся выполнять аналогичные преобразо-
преобразования для дробей, числитель и знаменатель которых — мно-
многочлены с одной переменной. Такая дробь считается пра-
правильной, если степень числителя меньше степени знамена-
х-1
X
3 — 1
— правильные дроби,
х-Г
неправильные.
теля. Например,
Х + 1 Х^_ X3 + 1
х + 2' 5х' х + 1
Всякая неправильная дробь может быть преобразована к
виду (многочлен) + (правильная дробь).
Приведем несколько примеров преобразования неправиль-
неправильной дроби к такому виду.
(а)
(б)
(в)
_3
1
(х
X
х + 2
X
х + 1
(х + 2) - 2
х + 2
. х + A/2)
2ж + 1
= 1 +
= 1-
х + 1
2
х
1/2
(Когда мы говорили, что в многочленах не может быть деле-
деления, это не значило, что коэффициенты обязательно целые —
они могут быть любыми, в том числе и дробными. Так, на-
например, число 1/2 — вполне законный многочлен степени 0.)
84
35. Деление многочленов с остатком
(г)
(д)
(х2-4)+4 (х + 2)(х-2)
х-2 х-2 х-2 v 'х-2
х4 _ (х4 - 16) + 16 _ (х2 + 4)(х + 2)(х - 2) + 16 _
х-2~ х-2 ~ х-2 ~
= (х2+4)(х + 2
16
х-2
Существует стандартный способ выделения многочлена
из неправильной рациональной дроби, аналогичный обычно-
обычному делению чисел «уголком». Покажем его на примерах:
Пример. Преобразуем неправильную
х
X
X4
-2х3
2х3
2х3-
¦4х2
4х2
4х2-«
1
1
х -
X3
Зх
ix
Зх-
- Z
+ 2х2 + 4х + 8
>
16
х-2
частное
16 ч— остаток
Та же процедура может быть записана иначе:
х4 х4 - 2х3 2х3 , 2х3
х-2
х-2 х-2
, 2х3 - 4х2 4х2
х-2 х—2
8Х — 16
х-2 х-2
х-2
х-2
16
f 2х2Н
8х
х-2
х-2
х-2
35. Деление многочленов с остатком
85
Итак, мы получаем:
х4 = (х3 + 2х2 + 4х + 8)(х - 2) + 16.
Пример. Теперь преобразуем дробь
2х
х2 - х + 1 '
х3 — х2 + х
х2 + х
х2 - х + 1
х2 — х + 1
х + 1
2х- 1
Другая запись тех же преобразований:
х3 + 2х _ х3 — х2 + х х2 + х
х2 — х + 1 х2 — х + 1 х2 — х + 1
х2 - х + 1 2х — 1
= х + — — + — — = (х + 1) +
X* + X
х2 — х -Ь 1
2х- 1
Итак,
х2 — х + 1 х2 — х + 1 х2 — х + 1'
х3 + 2х = (х + 1)(х2 - х + 1) + Bх - 1).
Пример (последний). Преобразуем дробь
х
2х-3'
х
2х-3
х3 - C/2)х2
C/2)х2
C/2)х2 - (9/4)х
(9/4)х
(9/4)х - 27/8
27/8
A/2)х2 + C/4)х + (9/8)
86
35. Деление многочленов с остатком
Те же преобразования:
-3 х3 - C/2)х2 C/2)х2
2ж-3
2х-3
r-2
1 2 , C/2)х2 - (9/4)х (9/4)х
= -X Н h т- =
1 2
= 2*
+
3
2х-3
2х-3
(9/4)* - B7/8) 27/8
2х - 3 2ж - 3
1,3
Итак,
?i +
27
27/8
2х-3'
Деление многочленов с остатком:
(делимое) = (неполное частное) • (делитель) -+- (остаток)
Степень остатка меньше степени делителя (или остаток
равен 0).
Задача 142. Каковы могут быть степени остатка и не-
неполного частного при делении многочлена степени 7 на мно-
многочлен степени 3?
Ответ. Степень неполного частного равна 4, степень
остатка может быть 0,1,2 или 3; кроме того, остатка может
не быть вовсе (т. е. он может быть равен 0).
Задача 143. Доказать, что неполное частное и остаток
(обладающие указанными в рамке свойствами) всегда суще-
существуют и единственны.
35- Деление Многочленов с остатком
87
Решение. Метод нахождения неполного частного и
остатка был продемонстрирован выше на примерах. Для до-
доказательства единственности предположим, что при делении
Р на 5 могут получиться два неполных частных Q\ и Q2 и
два соответствующих остатка R\ ж R2. Тогда мы имеем
+ R2,
и R2 степени меньше, чем у
причем у обоих многочленов
S. Тогда
и, следовательно,
R\-R2 = Q2S - QiS = (Qi - Q2)S.
Если получившийся многочлен Дх — Дг не равен нулю, то его
степень меньше, чем у S (так как степени обоих многочленов
R\ и R2 меньше, чем у S). Поэтому равенство R\—R2 —
= (Qi — Q2)S возможно в одном-единственном случае: если
Q\-Q2 = О, R\ - R2 = 0, т. е. Qi = Q2, i^i = R2.
Что считать остатком и частным, если степень делимого
с самого начала меньше степени делителя? В этом случае
полагают, что частное равно 0, а остаток равен делимому.
Деление многочленов похоже на обычное деление:
1234
П
13
11
24
22
2
11
112
х3 + 2х2 + Зх + 4
X2-
х2л
(-Зх
Ь х
2хл
2х Н
Ь4
Ь2
х
х2 + х + 2
1234 = 112 -11 + 2, хг + 2х2 + Зх + 4 = (х2 + х + 2)(х +1) + 2.
88
35. Деление многочленов с остатком
В этом примере аналогия полная; чтобы убедиться в этом,
достаточно подставить 10 вместо х. В других случаях, на-
например,
х
х3 — х
2х2
,2
Зх + 4
Зх
х-1
х1 + Зх + 6
Зх2 - Зх
6х +4
6х-6
10
х3 + 2х2 + Зх + 4 = (х2 + Зх + 6)(х - 1) + 10
аналогия неполная: подставив в последнее равенство х = 10,
получим равенство 1234 = 136 • 9 +10, которое, хотя и верно,
но не означает, что при делении 1234 на 9 частное равно 136, а
остаток равен 10 (на самом деле частное равно 137, а остаток
равен 1).
Задача 144.
1. Разделить х3 — 1 на х — 1.
2. Разделить х4 — 1 на х — 1.
3. Разделить х10 — 1 на х — 1.
4. Разделить х3 + 1 на х + 1.
5. Разделить х4 + 1 на х + 1.
Пункты 1-3 являются частным случаем общей формулы
п+2 , ,2
JLi ^\ • • • ^Г •**
х
х-1
которую легко проверить делением уголком или просто пе-
перемножив х — 1 и хп~1 + хп~2 + ... + х2 + х + 1. На эту
формулу можно смотреть как на способ суммирования ряда
последовательных степеней некоторого числа х:
35. Деление /многочленов с остатком
89
(она годится для всех х, кроме 1). См. ниже о сумме геоме-
геометрической прогрессии.
Задача 145. Степени двойки
1, 2, 4, 8, 16, 32, 64,...
обладают таким свойством: сумма нескольких первых чи-
чисел этой последовательности на единицу меньше следующего
числа:
1 + 2 = 3 =4-1,
1 + 2 + 4 = 7 = 8-1,
1 + 2 + 4 + 8 = 15 = 16-1
и т. д. Объяснить наблюдаемую закономерность.
Решение. Подставим в равенство
хп-1
1 + х + х2 + ... + хп~г =
х-1
значение х = 2. Получим
1 + 2 + 22 + ... + 2п~1 = 2" * = Т
4t ""*" X
Возможно другое решение. Чтобы вычислить сумму
1 + 2 + 4 + 8 + 16, прибавим и вычтем 1:
1 + 2 + 4 + 8 + 16 =
- A + 1 + 2 + 4 + 8 + 16) -1 =
= B + 2 + 4 + 8 + 16)-1 =
= D + 4 + 8 + 16) - 1 =
= (8 + 8 + 16) - 1 =
= A6 + 16) - 1 =
= 32-1.
Аналогично для других степеней.
90
36. Остаток при делении над-о
36. Остаток при делении на х — а
Существует способ найти остаток от деления произвольно-
произвольного многочлена на двучлен х — а (где а — любое число), не
производя деления.
Пусть, например, нужно найти остаток от деления х4 на
двучлен х — 2. Прежде всего заметим, что остаток — это чи-
число (его степень должна быть меньше степени х — 2). Чтобы
найти это число, в равенство
х4 = (неполное частное) (х — 2) + (остаток)
подставим х = 2. Получим
24 = (...)• 0 + (остаток),
т. е. остаток равен 24 = 16.
Вообще, пусть Р — любой многочлен, который мы хотим
разделить на х — а (где а — некоторое число). Запишем
Р = (неполное частное)(ж — а) + (остаток)
и подставим х = а. Получаем такое правило:
Чтобы найти остаток от деления многочлена на
двучлен х — а, надо подставить в этот многочлен
число а вместо х.
Это правило называют «теоремой Безу». Она позволяет
находить остаток (но не частное), не производя деления.
Вот важное следствие теоремы Безу:
Чтобы узнать, делится ли данный многочлен на
двучлен х — а без остатка, достаточно посмот-
посмотреть, обращается ли он в нуль при подстановке а
вместо х.
36. Остатрк при делении на х — а
91
Число, при подстановке которого многочлен обращается
в нуль, называют корнем многочлена. Таким образом, мно-
многочлен Р делится нацело на х — а в том и только в том случае,
когда а — корень многочлена Р.
Задача 146. 1. При каких п многочлен хп — 1 делится
на х — 1 без остатка? 2. При каких п многочлен хп +1 делится
на х + 1 без остатка?
Найдя корень многочлена, мы получаем возможность раз-
разложить его на множители, выделив множитель х — а (о —
найденный корень). После этого можно пытаться разлагать
этот многочлен дальше, применяя этот же прием к частному.
Задача 147. Разложить на множители многочлены
(а) х4 + 5х - 6;
(б) х4 + Зх2 + Ъх + 1;
(в) хг - Зх - 2.
Задача 148. Известно, что 1 и 2 — корни многочлена Р.
Доказать, что Р делится без остатка на (х — 1)(х — 2).
Решение. Поскольку 1 является корнем Р, то Р делит-
делится нацело на (х — 1), то есть Р = (х — 1) • Q. Подставив в это
равенство х = 2, видим, что 2 является корнем Q, то есть Q
делится на х - 2, Q = (х - 2) • R. Тогда Р = (х — 1)(х - 2)R.
Замечание. Типичное неверное решение таково: Р
делится на х — 1 (так как 1 — корень) и на х — 2 (так как 2 —
корень), следовательно, Р делится на (х — 1)(х — 2). Ошибка:
«следовательно» здесь не обосновано. Например, 12 делится
на 6 и на 4, но мы не можем сказать: «следовательно, 12
делится на 6 • 4 = 24».
Аналогичным образом можно доказать, что
если различные числа ai, а2,... ап являются
корнями многочлена Р, то Р делится на
(х - ai){x - а2)... (х - ап).
92
36. Остаток при делении на х — а
Задача 149. Какое наибольшее число корней может
иметь многочлен степени 5?
Решение. 5 корней. Например, многочлен
(х - 1)(х - 2)(х - 3)(х - 4)(х - 5)
имеет корни 1,2,3,4,5. Больше 5 корней быть не может. В
самом деле, если бы многочлен Р степени 5 имел 6 корней
ai,a2)O35O4,a5,O6, то он должен был бы делиться на
(х - ai)(x — а2) ... (х - а6),
т.е.
Р = (х - ai)(x - а2)... (х - a6)Q,
что невозможно, так как степень правой части не меньше 6.
Вообще многочлен степени п не может иметь больше п
различных корней.
Замечание. Мы использовали здесь выражение «раз-
«различные корни», так как слова «число корней» могут пони-
пониматься по-разному. Например, сколько корней у многочлена
х2 — 2х -f-1? Он тождественно равен многочлену (ж — IJ, так
что х = 1 является его корнем, а любое число, не равное 1 —
не является. Таким образом, мы можем сказать, что этот
многочлен имеет в точности один корень. С другой сторо-
стороны, общая формула для многочлена с двумя корнями а и Ь
есть
с(х — а)(х — Ъ)
и наш многочлен
х2 - 2х + 1 = (ж - IJ = (х - 1)(х - 1)
является специальным случаем этой формулы для a = Ъ = 1
(и с = 1), так что математики часто говорят, что этот мно-
многочлен имеет «два равных корня». Мы не будем пользоваться
36. Остаток при делении на х — a
93
этой терминологией, но Вы можете встретить ее, например, в
формулировке так называемой «основной теоремы алгебры»,
гласящей, что «любой многочлен степени п имеет в точности
п комплексных корней».
Задача 150. Как проверить, делится ли данный много-
многочлен Р на х2 — 1?
Ответ. Надо выяснить, являются ли числа 1 и —1 кор-
корнями многочлена Р.
Задача 151. При каких п многочлен хп — 1 делится на
х2 - 1?
В заключение этого раздела вернемся к тождеству
(х-а)(х-Ь) (х-а)(х-с) (х - Ь)(х - с)
(с - а)(с - Ъ) (Ь - а)(Ь - с) (а - Ь)(а - с) '
которое мы обсуждали на стр. 79 (мы перенесли 1 в левую
часть). Пусть а, 6,с — различные числа. Рассмотрим левую
часть тождества как многочлен от х. Степень этого мно-
многочлена не выше 2. Поэтому он может иметь не более двух
корней (если только не равен 0 тождественно). Но числа а, Ъ
и с являются его корнями. Значит, он тождественно равен
нулю!
Дотошный читатель в этом месте укажет, что мы смеши-
смешиваем равенство рациональных выражений при всех числовых
значениях букв (даже не при всех, строго говоря: если а = Ь,
то левая часть не имеет смысла) и возможность преобразо-
преобразовать одно выражение в другое по правилам алгебры. Кри-
Критика справедливая, и ответить на неё не так просто — мы
этого делать не будем.
Задача 152. Остаток от деления многочлена Р (от од-
одной переменной х) на многочлен х2 — 1 является многочленом
степени не выше 1, т. е. имеет вид ах + Ь. Как найти а и 6,
зная значения Р в точках i = -1hi = 1?
94
37. Многочлены, значения, интерполяция
Указание. Подставить в равенство
Р = (ж2 — 1) (неполное частное) + (ах + Ь)
числа 1 = 1и1 = —1.
Задача 153. При делении на х2 — 1 многочлен Р дает
остаток Ъх — 7. Каков будет остаток при делении Рнах-1?
Задача 154. Многочлен Р = ж3 + х2 — 10х + 1 имеет
три корня х\,Х2,хз (авторы за это ручаются). Напишите
многочлен с целыми коэффициентами, который бы имел три
корня:
(a) xi + 1, х2 + 1, х3 + 1; (б) 2хь 2х2, 2ж3; (в) —, —, —.
Х\ Х2 Хз
Задача 155. Найти числа а и 6, если известно, что
многочлен х3 + ах2 + х + Ъ делится без остатка на х2 — Зх + 2.
37. Многочлены, значения,
интерполяция
Пусть Р — многочлен, содержащий только одну переменную
(букву) х. Чтобы подчеркнуть это, будем обозначать его
Р(х) (читается «Р от х»). Подставим вместо х какое-либо
число, например, 6, и выполним все вычисления. Получен-
Полученное число называют значением многочлена Р(х) для х = 6 и
обозначают РF) (читается «Р от 6»).
Например, если Р(х) = х2—х—4, то Р@) = О2 —0—4 = —4.
Другие значения: РA) = -4, РB) = -2, РC) = 2, РD) = 8,
РE) = 16, РF) =26 и т. д.
Задача 156. Составить таблицу значений Р@),..., РF)
многочлена Р(х) = х3 — 2.
37. Многочлены, значения, интерполяция
95
Задача 157. Выпишем значения Р@), РA), РB)...
многочлена Р(х) = х2 — х — 4:
-4, -4, -2, 2, 8, 16, 26, ...
Под каждыми двумя соседними числами напишем их раз-
разность:
-4 -4 -2 2 8 16 26 ...
О 2 4 6 8 10 ...
и с полученной последовательностью «первых разностей» сде-
сделаем то же самое:
-4 -4 -2 2 8 16 26 ...
0 2 4 6 8 10 ...
2 2 2 2 2 ...
Получаются двойки. Докажите, что это не случайно, и что
все следующие члены в третьей строке — тоже двойки.
Задача 158. Докажите, что для любого многочлена сте-
степени 2 все «вторые разности» одинаковы.
Задача 159. Сформулируйте и докажите аналогичное
утверждение для многочленов третьей степени?
Задача 160. Найдите значения многочлена Р(х) =
= х2 + х + 41 (этот многочлен рассматривал Л. Эйлер) при
х = 1, 2,3,..., 10. Убедитесь, что все они — простые числа
(не делятся нацело ни на что, кроме единицы и самого себя).
Может быть, все числа РA), -РB), РC), ... простые?
Посмотрим теперь, что можно сказать о многочлене, если
у нас есть какая-то информация о его значениях.
Многочленом степени не выше п (с одной переменной)
будем называть многочлен равный нулю, а также любые мно-
многочлены степени 0,1, 2,... п.
96
37. Многочлены, значения, интерполяция
Например, многочлен степени не выше 1 имеет вид ах + Ь.
При а ф 0 он имеет степень 1. При а = О, Ь ф 0 он имеет
степень 0. При а = Ь = 0 получается нулевой многочлен
(степени не имеющий).
Аналогично многочлен степени не выше 2 имеет вид ах2 +
+ Ьх + с и т. д.
Задача 161. Известно, что Р(х) — многочлен степени
не выше 1, РA) = 7, РB) = 5. Найти Р(х).
Решение. По условию Р(х) = ах + Ь, где а и Ь — неко-
некоторые числа. Подставим х = 1 и х = 2.
РB) = 2а + Ъ = 5.
Сравнивая эти равенства, видим, что от добавления лишнего
а число 7 превратилось в 5, поэтому а = —2, 6 = 9. Ответ:
Р{х) = ~2х + 9.
Тем же способом можно найти любой многочлен степени
не выше 1, если заданы его значения для двух различных
значений х.
Те из вас, кто знает, что график у = ах+b — прямая, лег-
легко объяснят это геометрически: через две различные точки
проходит прямая, причем только одна.
Задача 162. Многочлен Р(х) степени не выше 1 удов-
удовлетворяет условию: РA) = 0, РB) = 0. Докажите, что
Р(х) — 0 при всех х.
Перейдем теперь к многочленам степени не выше 2.
Сколько значений нужно знать, чтобы восстановить много-
многочлен? Убедимся, что двух недостаточно.
Задача 163. Многочлен Р(х) степени не выше 2 таков,
что РA) = 0, РB) = 0. Можно ли утверждать, что Р(х) — 0?
37. Многочлены, значения, интерполяция
97
Решение. Нет: рассмотрим многочлен
Р{х) = (х -
2) = х2 - Зх + 2.
Мы уже знаем, что многочлен Р(х), для которого РA) =
= РB) = 0, имеет вид Р(х) = (х - 1)(х - 2)Q(x), где Q(x) —
некоторый многочлен. Бели к тому же степень Р(х) не вы-
выше 2, то Q(x) может быть только числом.
Задача 164. Многочлен Р(х) степени не выше 2 таков,
что РA) = 0, РB) = 0, РC) = 4. Найти Р(х).
Первое решение. Как мы только что видели, Р(х) =
= а(х — 1)(х — 2), где а — некоторое число. Чтобы его найти,
подставим х = 3:
РC) = аC - 1)C - 2) = 2а = 4,
откуда а = 2. Ответ: Р(х) = 2(s - 1)(ж - 2) = 2х2 -6ж + 4.
Второе решение. Многочлен степени не выше 2 име-
имеет вид ах2 + Ъх + с. Подставив х = 1,2,3, получаем:
= а
РB) =
РC) =
Ъ + с = О
2Ъ + с = О
ЗЬ + с = 4
Отсюда
РB)-РA) = За+ 6 = 0
РC) - РB) = Ьа + Ъ = 4
Добавление 2а превращает 0 в 4, поэтому а = 2. Отсюда
Ь=-6, с = 4. Ответ: 2х2 - 6ж + 4.
Задача 165. Доказать, что многочлен степени не выше
2 однозначно определяется тремя своими значениями.
Это значит, что если Р(х) и Q(x) — многочлены степени
не выше 2 и P{Xl) = Q{xx), P{x2) = Q(x2), Р(хг) = Q(x3)
98
37. Многочлены, значения, интерполяция
для трех различных чисел xi,X2,x$, то многочлены Р(х) и
Q(x) равны.
Решение. Рассмотрим многочлен R(x) = Р{х) — Q(x).
По условию R(xi) = R{x2) = R{x$) = 0.
Другими словами, числа х\,хъ,хг — корни многочлена
R(x). Но многочлен степени не выше 2, как мы видели, не
может иметь трех корней (если только он не равен нулю).
Задача 166. Известно, что
16а+ 46 +с = 0
49а + 76 + с = 0
100а + 106 + с = 0
Доказать, что а = 6 = с = 0.
Задача 167. Доказать, что многочлен степени не выше
п однозначно задается п+1 значением. (Для п = 2 эта задача
уже была.)
Задача 168. Найти многочлен Р(х) степени не выше 2,
для которого:
(а) РA) = 0, РB) = 0, РC) = 4;
(б) РA) = 0, РB) = 2, РC) = 0;
(в) РA) = 6, РB) = 0, РC) = 0;
(г) РA) = 6, РB) = 2, РC) = 4.
Первое решение. Задача (а) уже была: ответ —
2(х — 1)(х — 2). Аналогично решаются (б) и (в). (Ответы:
(б) — 2{х — 1){х — 3), (в) 3(х-2)(х-3)). Теперь можно решить
(г), сложив три полученных многочлена. Ответ:
2(х - 1)(х - 2) - 2(х - 1)(х - 3) + 3(х - 2)(х - 3) =
= 2х2 - 6х + 4 - 2х2 + 8х - 6 + Зх2 - 15х + 18 =
= Зх2 - 13х + 16.
37. Многочлены, значения, интерполяция
99
Второе решение, (для пункта (г)). Найдем сначала
какой-нибудь многочлен Q степени не выше 2, для которого
Q(l) = 6, QB) = 2. Например, годится многочлен Q(x) =
= 10 — Ах (степени 1). У многочлена Q два значения Q(l)
и Q{2) какие нужно, а третье QC) = —2 — не такое. Это
можно исправить, рассмотрев многочлен
Р(х) = Q(x) + a(x -1)(х- 2).
Каково бы ни было число а, значения РA) и РB) не изме-
изменятся. А подбором а можно сделать значение РC) равным
требуемому:
= QC) + 2а = -2 + 2а.
Чтобы РC) было равно 4, положим а = 3. Ответ:
Р(х) = 10 - Ах + 3{х - 1)(х - 2) =
= 10 - Ах + Зх2 - 9х + 6 = Зх2 - 13х + 16.
Задача 169. Найти многочлен Р(х) степени не выше 3,
для которого Р(-1) = 2, Р@) = 1, РA) = 2, РB) = 7.
Задача 170. Пусть xi,...,x\q — попарно различные
числа, J/i,.. • , Ую — любые числа. Доказать, что существу-
существует ровно один многочлен степени не выше 9, для которого
Р{Х\) = |/1, Р{Х2) = У2, • • • , Р(хю) = Ую-
Задача 171. Не производя вычислений, убедиться, что
существуют такие числа а, 6 и с, что
100а-
36а
4а
НОбН
+ 66Н
+ 2&Ч
V с =
НС =
V с =
18,37,
0,05,
-3.
(Искать а, 6 и с не нужно, достаточно убедиться в их сущест-
существовании.)
100
38. Арифметические прогрессии
Задача 172. Старший коэффициент многочлена Р ра-
равен 1, РA) = 0, РB) = 0, РC) = 0,..., Р(9) = 0, РA0) = 0.
Какова наименьшая возможная степень многочлена Р? Чему
равно в этом случае РA1)?
Ответ. Степень равна 10; РA1) = 3628800.
38. Арифметические прогрессии
В последовательности чисел
3,5,7,9, 11,...
каждый член на 2 больше предыдущего; в последовательно-
последовательности
10, 9, 8, 7, 6,...
каждый член на 1 меньше предыдущего. Такие последова-
последовательности называют арифметическими прогрессиями.
Определение. Последовательность, в которой каждый
член получается из предыдущего добавлением одного и того
же числа, называется арифметической прогрессией, а упомя-
упомянутое число называется ее разностью.
Задача 173. Каковы разности прогрессий в приведен-
приведенных выше примерах?
Ответ . 2 и —1.
Задача 174. Найти третий член арифметической про-
прогрессии
5, 2,...
Ответ. —9.
Задача 175. Найти 1000-й член прогрессии
2, 3, 4, 5, 6,...
38. Арифметические прогрессии
101
Решение. В прогрессии
1,2,3,4,5,...
первый член равен 1, второй член равен 2, ..., 1 000-й член
равен 1 000. В нашей прогрессии члены на единицу больше.
Ответ. 1001.
Задача 176. Найти 1000-й член прогрессии
2, 4, 6, 8,...
Задача 177. Найти 1000-й член прогрессии
1,3,5,7,...
Задача 178. Первый член прогрессии равен а, разность
равна d. Чему равен 1000-й член? Чему равен n-й член?
Решение.
1-й член a
2-й член а + d
3-й член a + 2d
4-й член а + 3d
5-й член a + 4d
1000-й член
n-й член
а + 999d
а + (п — l)d
Задача 179. Члены арифметической прогрессии с раз-
разностью d переписали в обратном порядке. Получится ли
арифметическая прогрессия? Если да, какова будет ее раз-
разность?
Задача 180. . Из арифметической прогрессии с раз-
разностью d вычеркнули каждый второй член. Получится ли
арифметическая прогрессия? Какова будет ее разность?
102
39. Сумма арифметической прогрессии
Задача 181. Тот же вопрос, если вычеркнули каждый
третий член.
Задача 182. Первый член арифметической прогрессии
равен 5, а 3-й член равен 8. Чему равен 2-й член?
Ответ. 6,5.
Задача 183. Первый член прогрессии равен a, a 3-й
член равен Ь. Чему равен 2-й?
Ответ. (а + 6)/2.
Задача 184. Первый член прогрессии равен а, а 4-й
член равен 6. Чему равны ее 2-й и 3-й члены?
Задача 185. Найти число членов в прогрессии
1, 3, 5, 7, ..., 993, 995, 997, 999.
Указание. В этой прогрессии n-й член равен 2п — 1.
(Другой способ — сравнить ее с прогрессией 2,4,6,..., 1000.)
39. Сумма арифметической прогрессии
Задача 186. Найти сумму
1+3 + 5 + 7 + ... + 999.
Решение. Прежде всего найдем число членов (см.вы-
(см.выше). Член с номером п равен 1 + (п —1)-2 = 2п — 2 + 1 = 2п — 1.
Он равен 999 при п = 500. Поэтому в прогрессии 500 членов.
Сгруппируем их в 250 пар
A + 999) + C + 997) + ... + D99 + 501).
Каждая пара в сумме дает 1000.
Ответ. 250000.
39. Сумма арифметической прогрессии
103
Задача 187. Первый член прогрессии из п членов ра-
равен а, последний (n-й) равен Ь. Найти сумму ее членов.
Решение. Соединив члены в пары, как в предыдущей
задаче, получим п/2 пар, сумма каждой равна а + Ь.
п{а + Ь)
Ответ. -.
Задача 188. Решение предыдущей задачи содержит
пробел. Найти и исправить его.
Решение. Все сказанное в нем относится к случаю
четного п. Если п нечетно, то остается непарный (средний)
член в прогрессии. Чтобы не рассматривать случаи четного
и нечетного п отдельно, можно применить трюк, который
мы покажем на примере суммы
S = 3 + 5 + 7 + 9 + 11.
Напишем ее в обратном порядке:
S = 11 + 9 + 7 + 5 + 3
и сложим эти равенства
S = 3+5 + 7 + 9 + 11 +
+ 11 + 9 + 7 + 5+3 .
В каждом столбце стоят 2 числа, в сумме дающие 14:
3 + 11 =5 + 9 = 7 + 7 = 9 + 5 = 11 + 3 = 14.
Поэтому 2S = 5 • 14 = 70, S = — = 35.
В общем случае будет п столбцов с одинаковой суммой,
равной сумме первого и последнего членов, т. е. а + Ь. По-
Поэтому
s= n(a + Ь)
104
40. Геометрические прогрессии
1
1
1
Рис. 9
Рис. 10
Это рассуждение можно пояснить картинкой. Сумму 3 +
+ 5 + 7+9+11 можно изобразить так, как это показано на
рис. 9. и из двух таких фигурок составить прямоугольник
5 х 14 (см. рис. 10).
Задача 189. Докажите, что
сумма первых п нечетных чисел
есть полный квадрат:
1 + 3 = 22!
1 + 3 + 5 = З2 и т. д.
1
3
5
7
9
Рис. 11
Указание. Можно использовать
предыдущую задачу или рис. 11.
40. Геометрические прогрессии
В последовательности
3, 6, 12, 24,...
каждый член больше предыдущего в 2 раза. В последователь-
НОСТИ 2 2 2
°'Z| 3' 9' 27'""
каждый член меньше предыдущего в 3 раза. Такие последо-
последовательности называют геометрическими прогрессиями.
40. Геометрические прогрессии
105
Определение. Последовательность, в которой каждый
член получается умножением предыдущего на одно и то же
число, называется геометрической прогрессией, а это чи-
число — знаменателем прогрессии.
Задача 190. Каковы знаменатели прогрессий в приве-
приведенных выше примерах?
Ответ. 2 и 1/3.
Задача 191. Найти третий член геометрической про-
прогрессии
2,3,...
Ответ. 9/2.
Задача 192. Найти 1000-й член прогрессии 3,6,12,...
Решение.
1-й член
2-й член
3-й член
1000-й член
3 = 3-2°
6 = 3-21
12 = 3 • 22
= 3 • 2999
Задача 193. Чему равен n-й член прогрессии, первый
член которой равен а, а знаменатель равен ql
Решение.
1-й член
2-й член
3-й член
4-й член
а =
о, • q
aq<
а ¦ q3
= а ¦ q
гг-и член
aqJ
106
40. Геометрические прогрессии
Задача 194. Первый член геометрической прогрессии
равен 1, а третий член равен 4. Чему равен второй член?
(Указать все варианты.)
Ответ. Второй член может быть равен не только 2, но
и -2.
Задача 195. За 30 минут бактерия заполняет банку,
делясь на две каждую минуту. За сколько минут заполнят
банку 2 бактерии?
Будет ли последовательность
1, 0, 0, 0,...
геометрической прогрессией согласно нашему определению?
Формально говоря, да: каждый следующий член получает-
получается из предыдущего умножением на нуль, а мы не запретили
знаменателю быть равным нулю. Хотя такая прогрессия и
может показаться странной, мы не будем ее запрещать (зато
иногда придется оговаривать, что знаменатель не равен 0).
Задача 196. Геометрическую прогрессию со знамена-
знаменателем q ф 0 написали задом наперед. Каков знаменатель у
получившейся прогрессии?
Ответ. l/q.
Задача 197. Из геометрической прогрессии со знаме-
знаменателем q вычеркнули каждый второй член. Получится ли
геометрическая прогрессия? Каков будет ее знаменатель?
Задача 198. Тот же вопрос, если вычеркнули каждый
третий член.
Задача 199. Первый член геометрической прогрессии
равен а, а третий член равен Ь. Чему равен второй член?
Решение. Бели он равен х, то знаменатель равен х/а и
одновременно b/х. Отсюда х/а — Ь/х, умножая на ах, имеем
41. Сумма гебметрической прогрессии
107
х2 = аЬ. Поэтому если аЪ < 0, задача не имеет решения (та-
(такой прогрессии не бывает); если ab = 0, то х = 0; если аЬ > 0,
тож = ±y/ab (см. ниже раздел о квадратных уравнениях).
Замечание. Наше решение неприменимо, если х = 0
или а = 0. Но наша формула оказывается более удачной, чем
можно было бы ожидать — она верна всегда. Если, например,
а = 1 и Ь = 0, наша формула дает правильный ответ: х =
Задача 200. Первый член геометрической прогрессии
равен 1, а 4-й равен а > 0. Чему равны ее 2-й и 3-й члены?
Указание. См. ниже раздел о корнях n-й степени.
Ответ,
и у/а2.
41. Сумма геометрической прогрессии
Задача 201. Вычислить сумму 1 + 2 + 4 + 8 +
1024 (каждый член вдвое больше предыдущего).
Первое решение. Добавим!:
. + 512 +
1 + 1 + 2 + 4 + 8 + ... + 1024 =
= 2 + 2 + 4 + 8 + ... + 1024 =
= 4 + 4 + 8 + ... + 1024 =
= 8 + 8 + ... + 1024 =
= 16 + ... + 1024 =
• = 256 + 256 + 512 + 1024 =
= 512 + 512 + 1024 =
= 1024 + 1024 =
= 2048
Ответ. 2048 - 1 = 2047.
108
41. Сумма геометрической прогрессии
Второе решение. Обозначим сумму через 5":
5 = 1 + 2 + 4 + 8 + ...+512 + 1024.
Тогда
2S = 2 + 4 + 8 + 16 + ... + 1024 + 2048.
В последней сумме (по сравнению с предыдущей) есть лиш-
лишний член 2048 и недостает 1. Отсюда имеем:
2S-S = 2048 - 1,
S = 2048 - 1 = 2047.
Задача 202. Вычислить суммы 1 + -, 1 + о + 7> * + ^ +
11 3. 1 J 2 2 4 2
+ 1+ + ++
Задача 203. Первый член геометрической прогрессии
равен а, а знаменатель равен q. Найти сумму ее первых п
членов.
Первое решение. Искомая сумма равна
a + aq + aq2 + ... + aqn~l — аA + q + q2 + ... + qn~x).
Вспомнив разложение на множители
находим, что
Отсюда получаем, что искомая сумма равна
41. Сумма геометрической прогрессии
109
Второе решение. Обозначим искомую сумму через S:
aqn~2 + aqn~x.
aqn~x + aqn.
Умножим ее на q:
or , 2 ¦
Появился член agn, а член а пропал, так что
qS-S = aqn - a,
= a(qn-l),
S = а?- i.
Задача 204. В решении и ответе к предыдущей задаче
есть неточность. Что это за неточность?
Решение. При q = 1 ответ не имеет смысла: выраже-
выражение
1-1
не определено. В этом случае все члены прогрессии равны a
и сумма равна па. Так что можно было бы сказать, что
qn-l
«7-1
= п, если q — 1.
(Это шутка, но в ней есть и доля правды; вспомните о ней,
когда будете изучать дифференцирование функции/(ж) = хп
в курсе математического анализа!)
110
42. Разные задачи о прогрессиях
42. Разные задачи о прогрессиях
Задача 205. Могут ли числа 1/2,1/3,1/5 быть членами
(не обязательно соседними) одной арифметической прогрес-
прогрессии?
Указание. Могут; в одном из вариантов ее разность
равна 1/30.
Задача 206. Могут ли числа 2,3,5 быть членами (не
обязательно соседними) одной геометрической прогрессии?
Решение. Докажем, что не могут. Предположим, что
знаменатель этой прогрессии равен д. Тогда
3 = 2qn,
для некоторых тип. Тогда
'-Г
о„т
(Г—Ш"-
Отсюда
ИЛИ
ЗТО СП
о
откуда Зт+га == 2т • 5". Слева стоит нечетное число, а спра-
справа — четное, если только m ф 0. Значит m = 0. Но это тоже
невозможно, так как в этом случае было бы
5 = 3qm = 31=3.
Полученное противоречие показывает, что требования 3 =
= 2qn и 5 = 3gm несовместимы. Следовательно, 2, 3 и 5 не
могут быть членами одной и той же геометрической про-
прогрессии.
42. Разные/задачи о прогрессиях
111
Задача 207. В решении предыдущей задачи мы пред-
предполагали, что в прогрессии число 3 стоит после 2, а число 5
стоит после 3 (считая положительными числа тип). А что
будет в других случаях?
Задача 208. Могут ли первые 2 числа в арифметичес-
арифметической прогрессии быть целыми, а все следующие числа — не
целыми?
Решение. Не могут: если два соседних члена целые,
то разность прогрессии — целое число, и потому все прочие
члены — целые.
Задача 209. Могут ли первые 10 чисел в геометричес-
геометрической прогрессии быть целыми, а все остальные — не целыми?
Решение. Могут:
512, 256, 128, 64, 32, 16, 8, 4, 2, 1, i \, ...
Задача 210. Может ли второй член арифметической
прогрессии быть меньше первого и третьего?
Решение. Нет: в этом случае разность прогрес-
прогрессии была бы одновременно положительным и отрицательным
числом.
Задача 211. Тот же вопрос для геометрической про-
прогрессии.
Решение. Да: 1,-1,1.
Задача 212. Может ли в бесконечной арифметической
прогрессии первый член быть целым, а все следующие — не
целыми?
Указание. Рассмотреть прогрессию с разностью у/2
и использовать иррациональность у/2 (см. ниже).
112
42. Разные задачи о прогрессиях
Задача 213. Может ли бесконечная арифметическая
прогрессия содержать в точности 2 целых члена?
Ответ. Нет.
Задача 214. В последовательности
1,3,7,15,31,...
каждый член получается из предыдущего умножением на 2 и
прибавлением 1. Чему равен 1000-й член последовательности?
Ответ. 21000-1.
Задача 215. Найдите знаменатель геометрической про-
прогрессии, в которой каждый член равен сумме двух предыду-
предыдущих.
Указание. См. раздел о квадратных уравнениях.
Ответ.
1+л/5
1-л/5
или .
Задача 216. Последовательность Фибоначчи
1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, ...
определяется так: два первых члена равны 1, а каждый сле-
следующий есть сумма двух предыдущих. Подберите такие чи-
числа А та. В, чтобы n-й член последовательности Фибоначчи
равнялся
43. Хорошо/темперированный клавир
113
43. Хорошо темперированный клавир
Все знают, что одну и ту же мелодию можно играть в раз-
разных тональностях. Но что означают слова «одну и ту же»?
Чтобы ответить на этот вопрос, начнем с другого: что та-
такое мелодия? Формально говоря, мелодия — это сыгранные
друг за другом звуки разной высоты. А что такое высота
звука? С точки зрения физики, звук — это колебания воз-
воздуха. Высота звука определяется частотой колебаний, т. е.
количеством колебаний в секунду. Камертон, колеблющий-
колеблющийся 440 раз в секунду (физики говорят «440 герц». Название
единицы частоты дано в честь немецкого физика Генриха
Герца), дает ноту ля первой октавы.
На слух большая частота соответствует более высоким
нотам. Очень низкие и очень высокие звуки становятся уже
неслышимыми. Считается, что человек может услышать зву-
звуки в диапазоне от 20 герц до 20 килогерц (хотя на самом деле
у разных людей эти границы могут быть разными; к старо-
старости диапазон слышимых частот уменьшается).
Низкие звуки, которые мы не слышим, иногда называют
«инфразвуком», высокие — «ультразвуком». С помощью уль-
ультразвуков разговаривают друг с другом дельфины.
Частота тока в электросети — 50 герц, т. е. 50 колебаний
в секунду (это относится к Европе, в Америке — 60 герц).
Если из-за неисправности сетевой фон проникает в звуковой
тракт магнитофона, слышно низкое гудение.
Задача 217. Натягивая струну сильнее, мы изменяем
частоту колебаний. Как вы думаете, увеличивается часто-
частота или уменьшается? Попробуйте сделать это с натянутой
ниткой.
Задача 218. Зажимая струну (например, гитары) паль-
пальцем, мы как бы уменьшаем ее длину, почти не меняя натя-
натяжения. Как вы думаете, что происходит с высотой звука?
114
43. Хорошо темперированный клавир
Задача 219. Пластинку на 33 оборота поставили на 45;
как изменится частота всех записанных на ней звуков?
Задача 220. Где в рояле более низкие ноты — слева или
справа? Как это связано с формой рояля?
Задача 221. Комар зудит почти как камертон. Сколько
взмахов в секунду делают его крылья?
Задача 222. Как вы думаете, кто издает более высокий
звук — комар или большая муха?
Оказывается, что на слух в первую очередь воспринима-
воспринимаются отношения частот соседних свуков мелодии, а не сами
частоты. Лишь немногие люди с «абсолютным слухом» (да-
(далеко не у всех музыкантов он есть) могут отличить взятую
на рояле ноту ля от ноты соль. Однако почти каждый чело-
человек после небольшой практики легко отличит интервал ре -
ля (квинта, отношение частот ре : ля — 2 : 3) от ре - соль
(кварта, отношение частот ре : соль = 3:4).
Задача 223. Найти отношение частот соседних нот
соль и ля, используя эти данные.
Теперь мы можем сказать, какие мелодии звучат одина-
одинаково (отличаясь лишь «тональностью») — это те, в которых
одинаковы отношения частот.
Задача 224. Мелодия ля - ми - ля (нисходящая) состо-
состоит из трех нот с частотами 440, 330 и 220. Какими будут
частоты, если сыграть такую же (с теми же отношениями
частот) мелодию, начиная с ноты ми (ее частота 330)?
Решение. Согласно сказанному, нужно, чтобы
Поскольку
440 : 330 : 220 = 330 : х : у.
440 : 330 : 220 = 4 : 3 : 2,
43. Хорошо темперированный клавир
11!
получаем у = 330 • A/2) = 165, х = 330 ¦ C/4) = 247,5. Соот-
Соответствующие ноты называются ми - си - ми.
Посмотреть на клавиатуру рояля, легко заметить, что она
«периодична»: одни и те же комбинации белых и черных кла-
клавиш повторяются — как говорят, в «разных октавах». От-
Отстоящие на период (на октаву) ноты называются одинаково и
отличаются по частоте ровно в 2 раза. Таким образом, ноты
«ля» в разных октавах имеют частоты
... 55, 110, 220, 440, 880, 1760, ...
образующие геометрическую прогрессию со знаменателем 2.
Задача 225. Как много октав может быть у рояля, если
все ноты должны быть слышны? (Считайте, что слышны
звуки в диапазоне от 20 до 20000 герц.)
Геометрическую прогрессию образуют не только ноты ля,
но и другие одноименные ноты: ноты соль образуют еще од-
одну геометрическую прогрессию (также со знаменателем 2),
ноты фа — третью и так далее.
Задача 226. Глядя на клавиатуру рояля (рис. 12), под-
подсчитать, сколько всего прогрессий получается (.сколько нот
в одной октаве).
Ответ. 12 G белых клавиш и 5 черных).
Названия нот: черная клавиша между до и ре называтеся
до диез или ре бемоль, между ре и ми — ре диез или ми бе-
бемоль, и так далее. (Тем самым диез обозначает повышение
звука, а бемоль — понижение.) Музыканты используют зна-
значок (I для диеза и b для бемоля. Используя их, можно записать:
до$ = реЬ.
Задача 227. Что должен сделать пианист, чтобы сы-
сыграть мелодию с удвоенными частотами всех нот?
116
43. Хорошо темперированный клавир
Решение. Сдвинуть руку вправо на октаву и играть
как обычно.
И1ШИ1
до |ре
ми I фа |соль| ля I си
ре
ми
Рис. 12
Теперь сыграем на рояле хроматическую гамму, нажимая
все клавиши (белые и черные) подряд слева направо:
до —> до$ = ре\> —> ре —> ре$ = миЬ —> ми —> фа —> фа$ =
= сольЬ —> соль —> соль(| = ллЬ —> ля —> а*Й = cub —> до —* ...
Оказывается,
частоты нот в хроматической гамме
образуют геометрическую прогрессию
Мы увидим, почему так получается, чуть позже.
Задача 228. Считая, что частоты нот в хроматической
гамме образуют геометрическую прогрессию, найти знаме-
знаменатель прогрессии.
Решение. Обозначим частоту ноты до за с, а искомый
знаменатель — за q. Тогда до% = реЬ имеет частоту с • q, ре
имеет частоту с • q2 и так далее:
до до$ ре ре% ми фа фа# соль солъ$ ля
cq cq2 cq3 cq4
си
ctf cq6 cq
cq°
cq9 cq10 cq11 cq
do
12
43. Хорошо темперированный клавир
117
Нота до следующей октавы имеет вдвое большую частоту,
так что cq12 = 2с. Отсюда q12 — 2,q= l\/2.
Музыканты называют интервал между соседними нотами
полутоном. Октава состоит, таким образом, из 12 полуто-
полутонов, и на каждый полутон приходится увеличение частоты в
^2 раз.
Задача 229. Между нотами до и ре два полутона (или
один тон, как говорят музыканты). Найти отношение ча-
частот этих нот.
Решение. ( ^2J = #2
Теперь объясним, почему хроматическая гамма дает гео-
геометрическую прогрессию. Это необходимо для того, чтобы
любую мелодию можно было сыграть, начиная с любой но-
ноты. Поясним это на примере простейшей мелодии из двух
нот: до и до диез. Сыграем ее, начиная с до диеза: до диез
- ре. Чтобы эти мелодии звучали одинаково, нужно, чтобы
отношения частот были равны:
ре _ до$
до$ до
А это и есть определение геометрической прогрессии.
Задача 230. Для какой нотых мелодии до —> хъх —> до
(до следующей октавы, т. е. удвоенной частоты) будут зву-
звучать одинаково?
Такой интервал музыканты называют «тритоном». Он
как бы делит октаву пополам, на два равных интервала.
Задача 231. Фуга до минор из первого тома «Хорошо
темперированного клавира» Баха открывается такой темой
(см. рис. 13).
118
43. Хорошо темперированный клавир
Рис. 13
Затем эта же тема (с одним изменением) проходит в дру-
другой тональности (см. рис. 14).
Рис. 14
Найдите измененное место. Знаки Ц или Ь перед нотой
означают повышение и понижение на полтона. Обозначения
нот указаны на рис. 15.
ми
фа соль ля
си до ре
Рис. 15
ми
фа соль ля
Вероятно, внимательный читатель уже заметил несогла-
несогласованность в наших объяснениях.
Задача 232. Зная, что хроматическая гамма есть гео-
геометрическая прогрессия со знаменателем 1\/2, найти отно-
отношение частот нот ре и ля (восходящая квинта).
43. Хорошо темперированный клавир
119
Решение. Между ре и ля семь полутонов, поэтому от-
отношение частот равно (v^O. С помощью калькулятора его
легко найти: (У/2O = 1,498...
Это близко к отношению 3 : 2, которое мы называли рань-
раньше, но все же не точно совпадает с ним.
Задача 233. Найти отношение частот в восходящей
квинте ре - соль и сравнить его с отношением 4 : 3, которое
мы называли раньше.
Решение. (^2M = 1,3348...; 4/3 = 1,3333...
Так что же такое квинта — отношение частот A\/2O или
3 : 2?! В некотором смысле оба ответа правильны. Сейчас
мы попробуем объяснить, что имеется в виду.
Бели вы услышите одну ноту, а через минуту другую,
то не почувствуете гармонии или дисгармонии. Но если сы-
сыграть ноты одну за другой, или даже обе сразу, то станет
слышно, хорошо ли они звучат вместе. Скрипач, настроив
одну из струн по камертону (на практике обычно по роялю
аккомпаниатора или гобою в оркестре), затем настраивает
вторую так: ведя смычком по обеим струнам, он регулирует
натяжение второй струны, пока они не будут хорошо («чи-
(«чисто») звучать вместе.
В каком случае две ноты образуют гармоничный интер-
интервал? Оказывается, это бывает, когда их частоты относят-
относятся друг к другу как небольшие целые числа. Почему так по-
получается, мы говорить не будем — для этого нужно знать
немного тригонометрии. Вместо этого перечислим некото-
некоторые интервалы и их названия (см. табл. 11).
Задача 234. Вторая нота восходящей мелодии обра-
образует с первой октаву, а третья со второй — квинту. Как
относятся друг к другу частоты третьей и первой нот?
Ответ. 3 : 1.
120
43. Хорошо темперированный клавир
Таблица 11
2
3
4
5
: 1
:2
:3
:4
октава
квинта
кварта
большая терция
Задача 235. Тот же вопрос, если третья нота образует
со второй большую терцию.
Такие «чистые» интервалы получаются при игре на скрип-
скрипке или других инструментах, где можно непрерывно менять
высоту звука. На рояле чистых интервалов не получается,
поскольку все отношения частот являются степенями числа
q = v/2 (см. табл. 12).
Таблица 12
Название
малая терция
большая терция
кварта
квинта
малая секста
большая секста
октава
чистые
6
5
4
3
8
5
2
5 = 1,2
4 = 1,25
3 = 1,333...
2 = 1,5
5 = 1,6
3 = 1,666...
1 = 2
получаются
1,1892...
1,2599...
1,3348...
1,4983...
1,5874...
1,6817...
2
Я3
яА
Я°
я7
Я*
я9
я12
Конечно, можно попросить настройщика настраивать ро-
рояль иначе — так, чтобы некоторые интервалы были чисты-
чистыми. Тогда другие интервалы станут еще более далекими от
чистых и красивая мелодия, начатая с другой ноты, может
звучать ужасно.
До 18-го столетия рояли (точнее, клавесины и органы —
современный рояль появился позже) настраивали, стараясь
43. Хорошо темперированный клавир
121
сделать некоторые интервалы чистыми. При этом одни то-
тональности звучали красиво, а другие (как правило, с большим
числом черных клавиш) — ужасно, и композиторы старались
их избегать, считая, что все равно нормальный органист в
них играть не сможет.
Традиция делить тональности на «хорошие» и «плохие»
и писать музыку только в хороших была поколеблена вели-
великим Бахом, который написал «Хорошо темперированный кла-
клавир» — сборник прелюдий и фуг. Он состоит из двух ча-
частей. В каждой части — 24 прелюдии и фуги, по одной в
каждой мажорной и минорной тональности.. Неизвестно, как
в точности Бах настраивал свой клавесин — была ли это рав-
равномерная темперация, когда хроматическая гамма образует
геометрическую прогрессию, или какая-то не вполне равно-
равномерная. Но современные исполнители играют его на равно-
равномерно темперированных роялях, на которых все интервалы
(за исключением октавы) звучат не совсем чисто — но зато
одинаково во всех тональностях.
Задача 236. Достаньте запись «Хорошо темперирован-
темперированного клавира» и послушайте.
В заключение обсудим вот какой вопрос: а почему, соб-
собственно, в октаве имеено 12 нот (полутонов)? Что мешает
изготовить рояль с 13 или 7 клавишами в каждой октаве? В
этом случае отношение частот соседних нот было бы ^2 или
\/2. Оказывается, что тогда основные интервалы C : 2, 4 : 3
и так далее) будут значительно менее чистыми.
Задача 237. Найдите отношения частот, если в октаве
7 (равноотстоящих) нот. Если ли среди отношений сколько-
нибудь близкие к 3/2 или 4/3? Сравните с приведенной выше
таблицей для 12 нот.
Если вы проделаете аналогичные вычисления для других
чисел нот в октаве, то убедитесь, что 12 является исключи-
122
44. Сумма бесконечной прогрессии
тельно удачным выбором — при других (не слишком боль-
больших) числах приближения заметно хуже.
Замечательно, что музыканты использовали 12-тоновую
систему, ничего не зная о геометрических прогрессиях и не
делая никаких вычислений — подобно тому, как пчёлы де-
делали аккуратные шестигранные соты задолго до того, как
люди установили, что именно такая форма оптимальна.
44. Сумма бесконечной прогрессии
Один из «парадоксов Зенона» (древнегреческого философа)
состоит в следующем (в изложении Льва Толстого в «Войне
и мире», т. 3, ч. 3).
... Ахиллес никогда не догонит впереди идущую
черепаху, несмотря на то, что Ахиллес идет в
десять раз скорее черепахи: как только Ахиллес
пройдет пространство, отделяющее его от чере-
черепахи, черепаха пройдет впереди его одну десятую
этого пространства; Ахиллес пройдет эту деся-
десятую, черепаха пройдет одну сотую и т. д. до бес-
бесконечности. Задача эта представлялась древним
неразрешимою.
Мы включили эту задачу в раздел о прогрессиях, по-
поскольку отрезки, последовательно пробегаемые Ахиллесом,
составляют геометрическую прогрессию
1 - — —
' ю' то' юоо' "¦
со знаменателем 1/10 (за единицу мы принимаем начальное
расстояние между Ахиллесом и черепахой). Общее расстоя-
44. Сумма бесконечной прогрессии
123
ние, пройденное Ахиллесом до встречи с черепахой, есть
«сумма бесконечного числа членов»
+ 10
100 + 1000 + • • •
Педант заметил бы нам, что говорить о сумме бесконеч-
бесконечного числа членов (не определяя эти понятия специально) не
имеет смысла: прибавляя очередные члены, мы никогда не
кончим. И он прав. Но мы все же не будем оправдываться, а
вместо этого найдем эту сумму разными способами.
Способ 1. Обозначим сумму через S:
100 + 1000
Тогда
откуда
9S = 10, S = —.
27
Способ 2. Будем добавлять слагаемые по одному:
1 + ^Э = 1,1
= 1,П
10 100
1.1 1
В итоге получится
1000
1,111...
- 1,111
что, как известно, равно 1- (так как 1/9 = 0,111...).
124
44. Сумма бесконечной прогрессии
Способ 3. По формуле суммы геометрической прогрес-
прогрессии
l + q + q2 + q3 + ... + q71'1 = ^.
q-1
В нашем случае q = 1/10, a n бесконечно (если можно так вы-
выразиться). Тогда q бесконечно мало (ведь с ростом п число
A/10)п быстро убывает) и им можно пренебречь. Получаем
формулу
1 + q2
1-q
(мы изменили знаки в числителе и знаменателе). Вспомнив,
что q = 1/10, получим ответ —— = —.
Способ 4. Вспомним, наконец, про Ахиллеса и чере-
черепаху. Здравый смысл подсказывает, что Ахиллес догонит
черепаху, пробежав некоторое расстояние S. За это вре-
время черепаха, скорость которой в 10 раз меньше, проползет
расстояние S/10, и расстояние между ними уменьшится на
S 9
S = —^S. В начале оно равнялось 1, а в момент встречи
стало нулевым, так что (9/10M = 1 и S = 10/9.
Пусть теперь Ахиллес стал бегать в 10 раз медленнее че-
черепахи. Пока он пробегает расстояние до точки старта че-
черепахи, черепаха уползает на вдесятеро большее расстояние.
Когда Ахиллес добежит до этой точки, черепаха уползет на
расстояние, в сто раз большее начального, и т. д. Получаем
сумму
1 + 10 + 100 + ...
Разумеется, Ахиллес никогда не догонит черепаху. Но тем
не менее в формулу
1-q
45. / Уравнения
125
можно подставить q = 10 и получить «равенство»
1 + 10 + 100 + 1000 + ... =
1-10
1
9
Задача 238. Можно ли придать явно нелепому утверж-
утверждению «Ахиллес догонит черепаху, пробежав -1/9 метра»
какой-то смысл?
Указание. Можно.
45. Уравнения
Когда мы писали, к примеру, что
(а + ЪJ = а2 + 2аЬ + Ь2,
то подразумевалось, что левая и правая части равны при лю-
любых а и Ь. Такие равенства называют тождествами. Тожде-
Тождество можно доказать (преобразовав левую и правую части
так, что они станут одинаковыми) или опровергнуть (найдя
значения букв, при которых левая и правая часть не равны).
Уравнение, как и тождество, состоит из левой и правой ча-
части, соединенных знаком равенства, но задача другая: его
надо решить, т. е. выяснить, при каких значениях букв ле-
левая и правая части равны.
Например, уравнение
Ъх + 3 = 2х + 7
можно решить так: вычтя 2х + 3 из обеих частей, получим
равносильное уравнение
126
45. Уравнения
(равносильность означает, что если одно из уравнений верно
для какого-то значения х, то верно и другое). Разделив обе
части на 3, получим
4
П? —*— —
Следовательно, уравнение 5ж + 3 = 2а:+ 7 имеет единственное
решение х = 4/3.
Замечание. Уравнение
х+ 1
х + 2
= 1
не имеет решения. (Доказательство: если
= 1, то
х + 2
х + 1 = х + 2, что невозможно.) Однако математики не го-
говорят, что это уравнение неразрешимо. Напротив, они гово-
говорят, что уравнение решено, после того как докажут, что оно
не имеет решений. Таким образом, «решить уравнение» —
значит найти все решения, или доказать, что решений нет.
Терминология здесь такова (см. табл. 13).
Таблица 13
неизвестные
решение
уравнения
решить
уравнение
равносильные
уравнения
буквы, входящие в уравнение
значения неизвестных, при которых левая
часть равна правой
найти все решения уравнения или
доказать, что их нет
уравнения, имеющие одни и те же
решения
Решения уравнения с одной неизвестной называют также
его «корнями».
46. Квадратное уравнение
127
46. Квадратное уравнение
Квадратное уравнение имеет вид
ах2 + Ъх + с = О,
где а,Ь,с — некоторые числа, а х — неизвестное.
Задача 239. Решить уравнение х2 - Зх + 2 = 0.
Решение, х2 - Зх + 2 = (х - 1)(х - 2). Таким образом
уравнение имеет вид (а: - 1) (х - 2) = 0; это равенство выпол-
выполнено в двух случаях: если х - 1 = 0 (т. е. х = 1) или х- 2 = 0
(т. е. х - 2). Ответ: уравнение имеет два решения х = 1 и
х = 2.
Задача 240. Решить уравнения-
(а) х2 - 4 = 0;
(б) х2 + 2 = 0; ,
(в) х2 - 2х + 1 = 0;
(г) х2 - 2х + 1 = 9;
(д) х2 - 2х - 8 = 0;
(е) х2 - 2х - 3 = 0;
(ж) х2 - Ъх + 6 = 0;
(з) х2 - х - 2 = 0.
Если в уравнении
ах2 + Ьх + с = 0
коэффициент а равен 0, то оно имеет вид
Ьх + с = 0
и имеет единственное решение
с
х = —.
Ь
128
47. Случай р = 0. Квадратный корень
Задача 241. Строго говоря, это не так: при 6 = 0 вы-
выражение с/Ь не имеет смысла. Как исправить эту ошибку?
Если же а ф 0, то можно разделить на а и получить рав-
равносильное уравнение
•у Ь С
х2 + -х + - = 0.
а а
Поэтому достаточно научиться решать приведенные квад-
квадратные уравнения, в которых коэффициент при х2 равен 1.
Обычно такое уравнение записывают в виде
х2 + рх + q = 0.
47. Случай р = О. Квадратный корень
Начнем с уравнения
2
х2 + q = 0.
есть три варианта
(а) q = 0: уравнение х2 = 0 имеет единственное решение
х = 0.
(б) q > 0: решений нет, так как неотрицательное число х2
в сумме с положительным числом q не дает 0.
(в) q < 0: уравнение перепишем в виде х2 = —q и надо ис-
искать числа, квадрат которых равен (положительному)
числу —q.
Факт. Для любого положительного числа с существует
положительное число, квадрат которого равен с.
Определение. Положительное число, квадрат которого
равен с, называется квадратным корнем из с и обозначается
у/с. (Кроме того, л/0 считают равным 0.)
47. Случай р/= 0. Квадратный корень
129
Мы уже встречали \/2 в разложении на множители х2 —
— 2 = (х — у/2)(х + \/2). Теперь мы в тех же целях используем
у/с вместо у/2.
Как решить уравнение х2 = с:
х2 - с = 0;
х2-(у/сJ = 0;
(х- у/с)(х + у/с) =0;
последнее уравнение имеет два решения х — у/с и х = —у/с и
других решений нет.
Вы спросите: к чему все это? Бели х = у/с, то х2 = с
по определению (и если х = —у/с — тоже). Да, это так.
Но наше разложение на множители доказывает также, что
других решений нет (в самом деле, если х ф ±\/с, то оба
сомножителя не равны нулю).
Существование квадратного корня из положительного
числа с можно объяснить так. Посмотрим, как меняется х2,
если х возрастает, начав с нулевого значения. Чем больше
х, тем больше ж2, поэтому х2 также возрастает. Вначале
х2 = 0, т. е. х2 было меньше с. Когда х очень велико, то х2
еще больше, поэтому х2 > с при больших х. Итак, х2 бы-
было меньше с, а стало больше с. Следовательно, в какой-то
момент оно должно было сравняться с числом с.
В предыдущей фразе слово «следовательно» заменяет не-
несколько глав учебника высшей математики, где это обосно-
обосновывается с помощью специальной «теоремы о промежуточ-
промежуточных значениях».
Современному человеку привыкшему к калькулятору с
клавишей у/~ , трудно представить себе, каким потрясением
было появление квадратных корней для древних греков, ко-
которые первыми обнаружили, что квадратный корень из двух
130
47. Случай р = 0. Квадратный корень
не записывается в виде дроби, числитель и знаменатель кото-
которой — целые числа. (А никаких других способов записывать
числа у них не было).
Задача 242. Докажите, что
при любых целых тип. (Как говорят, v2 иррационален;
рациональными числами называют дроби с целым числителем
и знаменателем, иррациональными — числа, не представимые
в виде таких дробей.)
Решение. Пусть \/2 = —. Возможны три случая:
п
(а) тип нечетны;
(б) т четно, п нечетно;
(в) т нечетно, п четно.
(Четвертый случай — тип четны — можно не рассматри-
рассматривать, так как в этом случае можно сокращать m и п на 2,
пока мы не придем к одному из случаев (а) — (в).)
Четное число записывается в виде 2А;, где А; — целое; не-
нечетное число записывается в виде 2А; + 1.
, . ,- 2к + 1
(а) v2= -. , , ,
Bk + IJ _ о
B1 + IJ "" '
B* + IJ = 2 • BZ + IJ,
4A;2 + 4A; + 1 = 2 ¦ BZ + IJ.
47. Случай р д= 0. Квадратный корень
131
Противоречие: (четное число) +1 = (четное число).
_2к_
2Z + 1'
(б) ^2 =
BА;J = 2 ¦ B/ + IJ,
2fc2 = 4Z2 + 4Z + l.
Противоречие: (четное число) = (четное число) +1.
2А; + 1
(в) л/2 =
Bк + IJ = 2 • BZJ,
4А;2 + 4А; + 1 = 2 • BZJ.
Противоречие: (четное число) +1 = (четное число).
Итак, все три случая невозможны.
Задача 243. Доказать, что число \/3 иррационально.
Указание. Всякое целое число имеет вид ЗА;, ЗА; + 1 или
ЗА;+ 2.
Заявляя, что мы решили уравнение х2 — 2 = 0 и получили
ответ «ж = V2 или х = —у/2 », мы, в сущности, хвастаемся
понапрасну. На самом деле мы не решили его, введя обо-
обозначение л/2, а расписались в своем неумении его решать —
ведь \/2 и означает «положительное число, квадрат которого
равен 2», т. е. «положительное решение уравнения х2 — 2 =0».
132
48. Свойства квадратных корней
48. Свойства квадратных корней
Задача 244. Доказать, что
Vab = у/а ¦ у/ь
при а, Ъ ^ О
Решение. Чтобы убедиться, что у/а ¦ у/В является ква-
квадратным корнем из ab, надо — согласно определению — про-
проверить, что его квадрат равен ab:
Задача 245. Докажите, что
' у/В'
при а ^ О, Ь > О
Следующий вопрос является традиционной ловушкой для
зазевавшихся абитуриентов:
Задача 246. Верно ли, что у/а? = а?
Решение. Нет, неверно: при отрицательном а выраже-
выражение л/а? равно —а. Верное равенство будет таким: у/а? = \а\,
где
{о, если а ^ О,
—а, если а < 0.
Задача 247. Доказать, что
(а)
(б)
\/3
1
= 2-ч/3;
л/7 + у/Б
V7-VE
49. Уравнение х2 + рх + q = 0
133
Задача 248. Что больше: \/Ю01 — \Д000 или 1/10?
Задача 249. Упростить выражение л/3 4- 2-\/2.
Решение. 3 + 2л/2 = 1 + 2 + 2л/2 = 1 + (л/2J + 2л/2 =
= (l + V/2J-
Ответ. 1 + у/2.
Задача 250. Ваня упростил выражение:
- 2л/2 =
= \Jl + (л/2J - 2л/2 = л/A - V2> = 1 - л/2.
Верно ли это?
Ответ. Так как 1 — \/2 < 0, то правильный ответ л/2 — 1.
49. Уравнение а;2 4- pa; + g = 0
Задача 251. Решить уравнение
ж2 + 2ж - 6 = 0.
Решение.
ж2 + 2ж - 6 = 0;
(ж2 + 2ж + 1) - 7 = 0;
(ж + IJ - 7 = 0;
(ж +1J = 7;
х + 1 = л/7 или ж + 1 = — л/Т;
ж = —1 + л/7 или ж = —1 — у/7.
Тот же прием применим к другим уравнениям.
134
49. Уравнение х2 +рх + q = 0
Задача 252. Решить уравнение
х2 + 2х - 8 = 0.
Задача 253. Решить уравнение
х2 + За: + 1 = 0.
Решение. Преобразуем левую часть
2 5
Уравнение приобретает вид:
_ 5
~ 4'
, 3 /* * _^3 /*
поэтому либо а: + — = у —, либо х + — = —у —,
л V 4 л V *
3 ¦ /5 3 /5
откуда ж = —- + л/- или Ж = ~2~У4"
Замечание. Ответ предыдущей задачи часто записы-
записывают как
3 . /5
Задача 254. Решить уравнение х2 — 2х + 2 = 0.
Решение, ж2 - 2а: + 2 = (х2 - 2х + 1) + 1 = (х- IJ + 1.
Уравнение (ж — 1J + 1 = 0 решений не имеет, так как левая
часть всегда больше или равна 1.
49. Уравнение х2 + рх + q = 0
135
Описанный метод называется «выделением полного ква-
квадрата». В общем виде он выглядит так:
х2 + рх + д = 0,
Теперь возможны три случая в зависимости от того, будет
Р2
ли —— д положительным, равным нулю или отрицательным.
• Если —— д > 0, т. е. два решения
• Если — д — 0, т. е. одно решение
§¦
• Если —— q < 0, решений нет.
Часто все три случая объединяют в формулу
136
50. Теорема Виета
считая, что при — q = 0 решения х\ и хч. совпадают (так
Р2
как под корнем стоит 0), а при ——q < 0 эта формула не дает
решений. (Впоследствии математики договорились считать,
что квадратный корень из отрицательного числа существует,
но мнимый.)
Р2
Число D = — q, от знака которого зависит, есть ли
корни и сколько их, называют дискриминантом.
50. Теорема Виета
Теорема. Если квадратное уравнение х2 + рх + q имеет
два (различных) корня о; и /3, то
а + /3= -р;
а-/3= q.
Другая формулировка: Бели квадратное уравнение
х2 + рх + q имеет два различных корня о; и /3, то
х2 + рх + q = (х — а) (х — /3).
(Это — действительно другая запись того же утверждения,
поскольку
(х - а)(х - /3) = х2 - (а + /3)х + а/3,
а равенство многочленов х2 +рх + q и (х — or) (x — /3) означает,
что равны их коэффициенты.)
Доказательство. (Первый вариант). По формуле для
корней квадратного уравнения
а
= -| - VD, 0 = -P;
50. Теорема Виета
137
где D = —— q. (Или наоборот:
но это не важно.) Тогда
и
Что и требовалось.
(Второй вариант). Будем доказывать теорему Виета во
второй из приведенный формулировок. Мы знаем, что если
многочлен Р(х) имеет корни о; и /3, то его можно разложить
на множители:
Р(х) = (х-а)(х- /3) R(x).
В нашем случае, когда Р имеет степень 2, многочлен R мо-
может быть только числом (иначе правая часть имеет слишком
большую степень), и число это равно 1, так как коэффициен-
коэффициенты при х2 у многочленов x2+px+q и (ж—а)(х—/3) одинаковы.
Значит,
х2 +рх + q = (х — а)(х — /3).
что и требовалось.
Задача 255. Как обобщить теорему Виета на случай
уравнения, имеющего ровно один корень? Остаются ли в силе
предложеные способы доказательства?
138
50. Теорема Виета
Задача 256. (Теорема Виета для кубического уравне-
уравнения). Уравнение х3 +рх2 + дх + г = 0 имеет три корня or, /3,7-
Доказать, что
j
о; + /3 + 7 = -Р;
а/3 + ау + /3у = д;
а/3-у = -г.
Задача 257. Уравнение х2 + рх + д = 0 имеет корни Жх
и #2. Выразить xf + x\ через ряд.
Решение. х\+х\ = х\+2х\х2+х\-2хх.х2 = (xi+x2J-
— 2х\х2 —р2 — 2д.
Задача 258. Уравнение х2 + рх + д = 0 имеет корни Xi
и ж2. Выразить (#1 — х2J через рид.
Первое решение. (х\ — х2J = х\ — 2х\х2 + х\ = х\ +
+ 2ж1Ж2 +х\- ±х\х2 = (Ж1 + ж2J - 4xix2 =p2 - 4д.
Второе решение. a;i — ж2 — разность между корнями;
глядя на формулу, видим, что она равна 2\/D, так что
(Xl - х2J = 4D = 4 Oj - g^j =P2-4q.
Задача 259. Уравнение х3 +рх2 +дх + г = 0 имеет корни
х\, х2 и хз- Выразить
- х2J(х2 - х3J(хг - х3J
через р, д, г. (Этот многочлен от р, д, г называется дискрими-
дискриминантом кубического уравнения. Как и в случае квадратного
уравнения, он мал, если два корня близки друг к другу.)
Задача 260. Уравнение х2 +рх + g = 0 имеет корни х\ и
х2, а уравнение у2 + ry + s = 0 имеет корни yi, y2. Выразить
B/1 -
- х2)(у2 - х2)
50/ Теорема Виета
139
через р, q, г, s. (Этот многочлен называется результантом
двух квадратных многочленов; он равен нулю, если у них
есть общий корень.)
Теорема Виета позволяет составить квадратное уравне-
уравнение с заданными корнями. Точнее, не теорема Виета, а
обратная к ней: вот ее формулировка.
Теорема. Если а; и /3 — любые числа, ар = — (о; + /3),
g = а/3, то уравнение х2 + рх + g = 0 имеет корни о; и /3.
Доказательство. Уравнение (х — а)(х — /3) = 0, оче-
очевидно, имеет корни аи /3 . Раскрыв скобки, убеждаемся, что
это и есть уравнение х2 + рх + g = 0.
Задача 261. Составить квадратное уравнение с целыми
коэффициентами, имеющее число 4 — у/7 своим корнем.
Указание. Второй корень равен 4 + у/7.
Задача 262. Коэффициенты р, q квадратного уравне-
уравнения х2 + рх + q = 0 (имеющего два корня) целые. Доказать,
что
(а) сумма квадратов его корней — целое число;
(б) сумма кубов его корней — целое число;
(в) сумма п-х степеней его корней при любом натуральном
п — целое число.
Задача 263. 1. Доказать, что квадрат числа а + Ьу/2
(а, Ь — целые) также имеет вид k + ly/2 для некоторых целых
*,/.
2. То же для (а + Ьу/2)п при любом целом п > 1.
3. Число (о + Ьу/2)п имеет вид k + ly/2. Какой вид имеет
число (а - Ьу/2)п ?
4. Доказать, что существует бесконечно много целых чи-
чисел о, 6, для которых а2 — 2Ь2 = 1.
140
51. Разложение квадратного трехчлена на множители
Решение. 4. Равенство а2 — 2Ь2 = 1 выполнено при
а = 3, Ь = 2, поскольку З2 — 2 • 22 = 1. Перепишем это
равенство так: C + 2\/2)C — 2v/2) = 1. Возведем обе части
в n-ую степень: C + 2ч/2)пC - 2л/2)п = 1. Число C + 2ч/2)п
равно к + 1у/2 при некоторых к и /, в этом случае C — 2V2)n
равно к — 1у/2. Итак,
(к + lV2)(k - /л/2) = к2 - II2 = 1,
т. е. к, I — решение уравнения.
Например, C+2л/2J = 9+8+12-\/2 = 17+12\/2. Проверим:
172 - 2 • 122 = 289 - 2 • 144 = 289 - 288 = 1.
Задача 264. Доказать, что уравнение х2 + рх + д = 0
имеет два корня разных знаков в том и только в том случае,
когда д < 0.
Решение. Если уравнение имеет корни разных знаков,
то по теореме Виета коэффициент д, равный их произведе-
произведению, меньше 0. Напротив, если произведение двух корней
меньше 0, то корни будут разных знаков — если только кор-
корни есть. Убедиться в том, что корни есть, можно, вычислив
Р2
дискриминант D = — д: если д < 0, то D > 0.
Другое объяснение: если д < 0, то значение выражения
х2+рх+д при х = 0 отрицательно. При больших х выражение
становится положительным (х2 «перевешивает» рх+д) —зна-
—значит, где-то в промежуточной точке оно обращается в нуль и
уравнение имеет положительный корень. (Аналогично и для
отрицательного корня.)
51. Разложение квадратного трехчлена
на множители
Задача 265. Разложить на множители 2х2 + 5х — 3.
51. Разложение квадратного трехчлена на множители 141
Р ешение.
2а:
+ 5х - 3 = 2 (х2 + |яг — | V
5 3
Решим уравнение х2 + —х = 0:
5^ /25 , 3 5 , /49 5 7
i,2 = ± V 16 + 2 = ~4 * V 16 = * 45
корни: х\ = —3, х-1 = -. Поэтому (теорема Виета, стр.136)
2х2 + 5х - 3 = (х + 3)Bж - 1).
Задача 266. Разложить на множители 2а;2 + 2а; Ч—.
Zt
Задача 267. Разложить на множители 2о2 4- ЪаЬ — 362.
Решение.
2а2 + ЪаЬ - 362 = Ъ2 B
^ + 5^ - 3V
Бели обозначить — через х и воспользоваться разложением
х — Ъ = (а;+3)Bа;— 1), это равенство можно продолжить
и внести Ь обратно внутрь скобок, получив
... = Ь2 (| + з) B^ - l) = (а + ЗЬ)Bа - Ь).
142
52. Формула для корней уравнения ах2 + Ьх + с — О
Задача 268. Доказать, что если а2 + аЬ + Ь2 = 0, то
а = Ъ = 0.
Решение. Пусть а2 + аЪ + Ь2 = 0, но а ф 0. (Случай
Ь ф 0 аналогичен.) Поделив уравнение на а2, получим 1 +
+ F/а) + (Ь/аJ — 0. Видно, что число х = Ь/а является
корнем уравнения 1 + х + х2 — 0, но это уравнение корней не
имеет (дискриминант равен 1 — 4 = —3 < 0).
52. Формула для корней уравнения
ах2 + Ьх + с = О (а ф О)
Делим уравнение аж2 + for + с = 0 на а, получаем уравнение
о Ь с
аг + -х + - = 0.
а а
Таким образом, в формулу для уравнения
х2 + рх + д = 0
Ъ с _
надо подставить р = —, g = —. Получаем
а а
4а2
_ Ь
~ 1а
2 - 4ас -Ь ±
- 4ас
2а
2а
Выражение D = б2 — 4ас называется дискриминантом урав-
уравнения ах2 + Ьх + с = 0. Бели оно положительно, уравнение
имеет два корня. Бели D = 0, уравнение имеет один корень.
Бели D < 0, уравнение не имеет корней.
53. Еще одна формула корней квадратного уравнения 143
Задача 269. Мы заменили
Ь2 — 4ас _ Vb2 — 4ас
4а2 ~
на
у/Ь2 - Аас
2а
но, как мы видели, л/4а2 равно не 2а, а |2а|. Почему в данном
случае это не имеет значения?
Задача 270. Известно, что уравнение ах2 + Ьх + с = 0
имеет корни х\ и а?2. Какие корни имеет уравнение са;2 +
+ Ьх + а = 0 ?
Решение. Делим аж2 + Ьх + с = 0 на х2; получаем
Ь с
а Л 1 т? = 0 или с • [ —
х х2
1 1 * 9 ,
т. е. — и — будут корнями уравнения саг + Ьх + а = 0.
a;i a:2
Замечание. Сказанное верно, если х\ ф 0, х<ьф 0. Ес-
Если один из корней х\ и х<х равен нулю, то (по теореме Виета)
с равно нулю и уравнение са;2 + Ьх + а = 0 имеет не больше
одного корня.
53. Бще одна формула корней
квадратного уравнения
Формулу
Я 1,2 =
-Ь ±
- 4ос
2а
144
54. Квадратное уравнение становится линейным
зубрят миллионы школьников всех континентов. Между тем
есть другая формула, ничем не хуже этой, но мало кому из-
известная:
#1,2 =
2с
-Ь±
Докажем ее: если х — корень уравнения ах2 + Ъх + с = 0, то
у = 1/х — корень уравнения су2 + by + а = О,
отсюда
1/1,2 =
1
—Ь ±
— 4ас
2с
#1,2 =
2с
2/1,2 -Ь ± ч/б2 - 4ас
Задача 271. Проверьте прямым вычислением, что
—Ь ± Vb2 - 4ас 2с
2а —Ь +~ у/Ъ2 — 4ас
(мы написали +~ в знак того, что плюсу в левой части соот-
соответствует минус в правой и наоборот).
54. Квадратное уравнение
становится линейным
Посмотрим на квадратное уравнение ах2 — х + 1 = 0. По
общему правилу оно имеет два корня, если его дискриминант
D = 1 — 4а > 0, т. е. если а < 1/4.
Задача 272. Верно ли это?
Ответ. Неверно, так как при а = 0 получается уравне-
уравнение —х +1=0, имеющее единственный корень х = 1.
54. Квадратное уравнение становится линейным
145
Формалист сказал бы, что при а = 0 наше общее правило
неприменимо, так как уравнение не является квадратным. И
он прав. Но все-таки как же это так: жило-было квадратное
уравнение ах2 — х + 1 = 0, имело оно себе два корня, но мы
начали менять а и вдруг один корень пропал, когда а стало
равно нулю. Куда же он делся?
Чтобы ответить на этот вопрос, посмотрим на формулу
для корней из предыдущего пункта:
_ 2
Xia ~ 1± л/1 ~4а '
Если а близко к нулю, то >/1 — 4а и 1, так что
2 2
1 + 1
но
х2 = -
1 — у/1 — 4а число, близкое к нулю '
т. е. очень велико. Видно, что
при приближении а к нулю ко-
корень Х\ приближается к 1, ахг
«уходит в бесконечность» — и
«возвращается с другой сторо-
вы».
Как это происходит, видно
на рис 16.
Нарисуем точки {х,а), для
которых ах2 — х + 1 = 0, или,
другим словами, график функ-
х
Рис. 16
ции а = (х — 1)/х2. Чтобы найти решения уравнения ах2—х +
+ 1 = 0 при данном а, надо пересечь горизонтальную пря-
прямую, проходящую на высоте а, с данным графиком. Предста-
Представим себе, что горизонтальная прямая движется сверху вниз,
146
55. График квадратного трехчлена
оставаясь горизонтальной. Вначале (при а > 1/4) она не
пересекает графика — решений нет. Затем (при а = 1/4)
появляется одна точка пересечения, которая сразу же разд-
раздваивается (как только а становится меньше 1/4). Один из
корней уходит в положительную бесконечность, когда а при-
приближается к 0, а затем возвращается из отрицательной бес-
бесконечности, после чего оба корня приближаются к нулю с
разных сторон.
Задача 273. Что происходит с корнями уравнения
(а) х2 - х - а = 0; (б) х2 - ах + 1 = 0
при изменении а?
55. График квадратного трехчлена
График у = х2 выглядит так (см. рис 17).
х
х
Рис. 17
Рис. 18
Зная его, можно построить и другие.
График у = ах2 (где а — постоянное число) получается
из у = х2 растяжением (если а > 1) или сжатием (если 0<
< а < 1) вдоль вертикальной оси: чем больше а, тем больше
он вытянут (см. рис. 18). При а < 0 график к тому же и
перевернут (см. рис. 19).
55. График/квадратного трехчлена
147
Рис. 20
График у = х2 + с (рис. 20) получается из у = х2 сдвигом на
с (вверх, если с > 0, вниз, если с < 0). Аналогичным образом
у = ах2 + с получается из у = ах2.
Сложнее понять, что соответствует сдвигу графика
влево-вправо. Для примера рассмотрим график у = |х2 и
сравним его с графиком у = \{х + IJ (см. рис. 21). Положим
х = —3. При этом выражение ~(х + IJ равно \{—2J, т.е.
имеет то же значение, что ^х2 при х = —2. Вообще значение
выражения \{х+ IJ совпадает со значением выражения \х2,
но при увеличенном на единицу значении х.
-3 -2 -1
Рис. 21
148
55. График квадратного трехчлена
На графике это выглядит так: точки графика у = ^(х + IJ
переходят в точки графика у = ^х2 при сдвиге вправо на 1.
Таким образом, график у = ^х2 получится, если график у =
= %(х + IJ сдвинуть вправо на 1. Другими словами, график
у = \{х + IJ получится, если график у = \х2 сдвинуть влево
на 1.
Вообще, график у = а(х + тJ получается из графика
у = ах2 сдвигом влево на т единиц (если т > 0; при т < 0
будет сдвиг вправо).
Теперь мы видим, что любой график вида
у =
+п
можно получить из графика у = х2 в три приема:
(а) растянуть по вертикали в а раз — получится у = ах2;
(б) сдвинуть на т влево — получится у = а(х + тJ;
(в) сдвинуть на п вверх — получится у = а(х + тJ + п.
Задача 274. Где находится вершина (нижняя или верх-
верхняя точка) графика у = а(х + тJ + п ?
Ответ. В точке с координатами (—т, п).
Задача 275. Важен ли порядок операций (а), (б) и (в)?
Получим ли мы тот же самый график, если к исходному гра-
графику у = х2 применить эти же операции, но, например, в
обратном порядке (сначала (в), потом (б), потом (а))?
Ответ. Порядок операций важен. Мы получим х2 + п
после (в), затем (х+тJ +п после (б) и, наконец, а(х+тJ+ап
после (а). Так что получится an вместо п.
Задача 276. Операции (а), (б) и (в) можно упорядочить
шестью способами. Получим ли мы при этом шесть различ-
различных графиков, или некоторые из графиков совпадут?
Так можно построить график любого квадратного трех-
трехчлена, так как любой трехчлен может быть записан как
55. График квадратного трехчлена
149
а(х + тJ + п с помощью выделения полного квадрата
( 1 Ь \
Ъх + с = а \ х -\—х I + с =
V а /
ах
(
= а[х+
— ) - —
2а/
4а
с.
\
Обозначив —— за т, а — -—|- с за п, получаем требуемое.
2а 4а
Задача 277. Как узнать знаки чисел а, Ь и с, глядя на
график трехчлена у = ах2 + Ъх + с ?
Ответ. При а > 0 «рожки» направлены вверх, при а <
< 0 — вниз (рис. 22).
Знак Ь/а определяется положени-
положением вершины графика (слева или
справа от нуля). Тем самым
можно определить знак Ь, так \ а > О
как знак а уже известен. Знак с
можно найти, посмотрев на ме-
место пересечения графика с осью
ординат (так как ах2 + bx+с рав-
равно с при х = 0).
Замечание. Другой спо-
способ определения знака Ъ: если в
точке пересечения с осью орди-
ординат график идет вправо-вверх, то Ъ положительно; если же в
этой точке график идет вправо-вниз, то Ъ отрицательно. Это
правило может быть объяснено средствами математическо-
математического анализа: если функция f(x) = ах2 + Ьх + с возрастает при
а<
Рис. 22
150
56. Квадратные неравенства
57. Максимум и минимум квадратного трехчлена
151
значениях х, близких к 0, то ее производная f'(x) = 2ах + b
(равная b при х = 0) положительна.
56. Квадратные неравенства
3ад ача 278. Решить неравенство х2 — Зх + 2 < 0- («Ре-
(«Решить неравенство» на школьном жаргоне означает: «выяс-
«выяснить, при каких значениях букв оно выполнено».)
Решение. Разложим левую часть на множители:
х2 -
- 2)
Рис. 23
Она обращается в 0 в точках х = 1 и х = 2; при х > 2 оба
сомножителя положительны; при переходе через точку 2 в ин-
интервал A,2) один сомножитель становится отрицательным, и
произведение отрицательно; при переходе через точку 1 оба
сомножителя становятся отрицательными (см. рис. 23).
Ответ. Неравенство
выполнено при 1 < х < 2.
Этот же ответ можно по-
получить, нарисовав график
функции у = (х — 1)(х — 2),
представленный на рис. 24
A и 2 — точки пересечения
—*¦ с осью абсцисс, рожки на-
2 правлены вверх).
Рис. 24
57. Максимум и минимум
квадратного трехчлена
Задача 279. Сумма двух чисел равна 1. Какое наиболь-
наибольшее значение может принимать их произведение?
Первое решение. Бели одно число обозначить че-
через х, то второе будет равно 1 — х, а их произведение равно
х • A — х) — х — х2. Трехчлен —х2 + х направлен рогами вниз-
(при х2 стоит минус), а корни его х — 0 и х = 1, так что вер-
вершина, находясь посередине между корнями, имеет абсциссу
1 1 ,л *ч 1
х = —, а максимальное значение равно тг • A — п) ~ 7-
Ответ. Максимальное значение равно —.
4
Второе решение. Обозначим одно число за — + х,
тогда второе будет равно — — х, а их произведение равно
так что максимальное значение достигается, когда х = 0 (оба
1,
числа равны -).
Задача 280. Доказать, что квадрат имеет макси-
максимальную площадь среди всех прямоугольников данного пери-
периметра.
Задача 281. Доказать, что квадрат имеет минималь-
минимальный периметр среди всех прямоугольников данной площади.
Указание. Воспользуйтесь предыдущей задачей.
Задача 282. Какое наименьшее значение может прини-
2
мать выражение х -\— при положительных х ?
х
152
57. Максимум и минимум квадратного трехчлена
58. Биквадратные уравнения
153
Первое решение. Посмотрим, при каких с> 0 число с
может быть значением выражения х-\—. Другими словами,
мы хотим узнать, при каких с уравнение
2
X -\ = С
X
имеет решение. Это уравнение можно умножить на х и ин-
интересоваться, при каких с уравнение
х2 + 2 = сх
имеет решение. (Это решение не может быть нулем, так как
О2 + 2 ф с • 0 — так что на х можно будет поделить).
Уравнение х2 + 2 = сх или, что то же, х2 —сх + 2 = 0 имеет
решение, когда его дискриминант
"-(§)'-*
неотрицателен, т. е. когда
/С\
f — 1
ИЛИ
2, т. е.
Итак, уравнение х Л = с имеет решение при с ^ 2\/2 и
Х 2
с ^ — 2%/2- Наименьшее значение выражения х -\— при поло-
х
жительных х равно 2%/2-
2
Второе решение, х и стороны прямоугольника
2
площади 2, а х-\ его полупериметр. Он будет минимален,
х
когда прямоугольник — квадрат (см. предыдущую задачу),
2
т.е. когда х = —, х2 = 2, х = \/2. При таком х значение
х
2 г-
выражения х -\— равно 2v 2.
х
58. Биквадратные уравнения
Задача 283. Решить уравнение х4 — Зх2 + 2 = 0.
Решение. Бели х — решение этого уравнения, то у = х2
является решением уравнения у2 — Зу + 2 =0 — и наоборот.
Это квадратное (относительно у) уравнение имеет корни
2/1,2 =
т.е. J/1 = 1, у2 = 2.
Поэтому решениями исходного уравнения будут те х, для
которых х2 = 1 или х2 — 2, так что оно имеет 4 решения:
х = 1, х = —1, а; = \/2, а; = — \/2.
Подобным образом можно решить любое биквадратное
уравнение (так называют уравнения вида ах4 + Ъх2 + с = 0).
Задача 284. Укажите примеры биквадратных уравне-
уравнений (если они существуют),
(а) не имеющих решения;
(б) имеющих ровно 1 решение;
(в) имеющих 2 решения;
(г) имеющих 3 решения;
(д) имеющих 4 решения;
(е) имеющих 5 решений.
(Указание. В одном из случаев такого примера нет.)
Задача 285. Сколько решений может иметь уравнение
ах6 + Ьх3 + с = 0 ?
Указание. Не забудьте, что о, b или с могут равняться
нулю.
Ответ. 0, 1, 2 или бесконечно много.
154
59. Возвратные уравнения
60. Как завалить на экзамене. Советы экзаменатору 155
Задача 286. Тот же вопрос для уравнения
ах* + Ьх4 + с = 0.
59. Возвратные уравнения
Задача 287. Решить уравнение
2х4 + 7х3 + Ах2 + 7х + 2 = 0.
Решение. Заметим, что х = 0 не является корнем. По-
Поэтому мы ничего не потеряем, если разделим это уравнение
на х2:
7 2
2х2 + 7х + 4 + - + -т = 0.
X X*
Теперь сгруппируем члены с одинаковыми коэффициентами
и противоположными степенями х:
После этого заметим, что
1
можно выразить через х+—:
х
(х + IV = х2 + 2- х - I + (-У = х2 + -L + 2,
V х) х \х) х2
откуда
X
Таким образом, если х является решением исходного уравне-
уравнения, то у = х -\— является решением уравнения
х
2(у2 -2) + 7у + 4 = 0,
которое можно переписать так:
2у2 - 4 + 1у + 4 = 0,
7у = 0,
уBу + 7) = 0,
откуда у = 0 или у = —7/2. Поэтому решениями исходного
уравнения будут те х, для которых
i-o
X
ИЛИ
1 7
X -\ = .
х 2
Решим эти два уравнения:
+ 1 = 0
= — 1
(решений нет);
х+ - = 0 => ж
X
1 7
а; -I— = — - означает (мы знаем, что х ф 0)
7
х2 + 1 = --х,
или
х2
7
-х +1 = 0;
корни:
-Wf-
2 2
Ответ. Уравнение имеет два решения
XI =
-7-л/ЗЗ
х2 =
-7 + л/ЗЗ
60. Как завалить на экзамене.
Советы экзаменатору
Посвящается приемной комиссии мехмата МГУ.
Есть много разных приемов. Вот один из них.
1. Возьмем квадратное уравнение — желательно с неце-
нецелыми корнями, например,
Зх2 + 2х - 10 = 0
156 60. Как завалить на экзамене. Советы экзаменатору
. Корни
157
-2 ± у/4 + 120 _ -2 ± л/124 _ -1±\/31
(корни а;1J = - = =
2. Подставим вместо х какой-нибудь многочлен второй
степени, например, х = у2 + у — 1.
х2 = (у2 + у- 1)(у2 + у - 1) = у4 + 2у3 - у2 - 2у + 1,
Зж2 + 2х - 10 = Зу4 + 6у3 - Зу2 - 6у + 3 +
+2у2 + 2у - 2 -
-10 =
= Зу4 + 6у3 - у2 - 4у - 9.
3. Предложим экзаменуемому решить уравнение
Зу4 + 6у3 - у2 - Ау - 9 = 0.
4. Подождем 10-15 мин.
5. Скажем ему, что его время истекло, и поставим двойку.
6. Когда экзаменуемый скажет, что задача сложная или
что уравнения четвертой степени не входят в школьную про-
программу, разъясним ему, что он ошибается и что это уравне-
уравнение легко сводится к квадратному:
Зу4 + 6у3 - у2 - Ау - 9 =
= Зу4 + Зу3 - Зу2
+ Зу3 + Зу2 - Зу
- у2 - у + 1
- 10 =
= Зу2(у2 + у - 1) + Зу(у2 + у - 1) - (у2 + у - 1) - Ю =
= 3(у2 + у)(у2 + у - 1) - (у2 +у - 1) - 10.
Бели теперь у2 + у — 1 обозначить за х, то получим
3(х + 1)х - х - 10 = 0,
Зж2 + Зх - х - 10 = 0,
-1±ч/ЗТ
*1J = -
и осталось решить два квадратных уравнения
- ¦- - 3 " у ^у~^ з •
Вот, дескать, и все!
Другой — не менее эффективный — рецепт таков: возь-
возьмите два квадратных уравнения с нецелыми корнями, напри-
например,
а;2+а;-3 = 0 и а;2 + 2а; -1 = 0
и перемножьте их:
(х2 + х- 3)(х2 + 2а; - 1) = а;4 + За;3 - 2а;2 - 7х 4- 3 = 0.
Получившееся уравнение (а;4 4- За;3 — 2а;2 — 7х 4- 3 = 0) можно
смело давать абитуриенту. Не забудьте только бумажку с
исходными уравнениями, иначе на апелляции Вы попадете в
неловкое положение.
61. Корни
Квадратный корень из числа а — это число, квадрат ко-
которого равен а. (Поправка педанта: число а должно быть
неотрицательно и квадратный корень — тоже.) Аналогично,
кубический корень из числа а > 0 — это неотрицательное
число х, для которого а;3 = а. Так же определяются и корни
более высоких степеней. Корень n-ой степени из а обознача-
обозначают tfa.
Определение. Корнем n-ой степени из неотрицательно-
неотрицательного числа а называется неотрицательное число х. для которо-
которого хп = а. (Мы предполагаем, что п — положительное целое
число).
158
61. Корки
В связи с этим определением могут возникнуть некоторые
вопросы.
В^уп рос. А что, если таких чисел несколько?
Ответ. Это невозможно. Чем больше положительное
число х, тем больше его n-ая степень х11 (если в произведении
п положительных сомножителей увеличить все сомножители,
то произведение увеличится). Поэтому два разных числа не
могут иметь одинаковую n-ую степень.
Вопрос. А может быть, числа х, для которого хп = а,
вообще нет?
Ответ. Подобный вопрос уже возникал при обсуждении
квадратных корней. Здесь ситуация совершенно аналогична.
Вопрос. Если п четно, то число — tfa также в n-ой сте-
степени равно а. Почему мы выбрали именно положительное из
двух чисел?
Ответ. Так принято.
Вопрос. Бели п нечетно, то и при отрицательных а
можно найти такое х, что хп = а. Например, (—2K = —8.
Почему же мы не говорим, что кубический корень из —8 ра-
равен -2 ?
Ответ. Можно было бы так и считать, но для простоты
мы этот случай исключаем.
Задача 288. Что больше: %/2 или 1,2?
Задача 289. Вычислить v^0,999 с точностью до трех
знаков после запятой.
Задача 290. Что больше: у/2 или
Задача 291. Что больше: v^ или
Задача 292. Что больше: л/\/2 или \/2 ?
61. Корки
159
Задача 293. Что такое ^/а по нашему определению?
Ответ. J/a = а (для а ^ 0).
Теперь мы докажем некоторые свойства корней.
Задача 294. Доказать, что
УаЬ= УЕ- Vb
| при а ^ 0, Ь ^ 0.
Решение. Согласно определению, нужно доказать, что
(#?• Vby = ab.
По правилу
(ху)п = хп-уп
получаем (положив х = l/a, у = \/Б)
Задача 295. Доказать, что
при а ^ 0, Ь > 0.
Указание. Использовать равенство
yj yv
предыдущую задачу.
Задача 296. Доказать, что
при а > 0.
160
61. Корни
62. Степень с дробным показателем
161
Задача 297. Доказать, что
при а, Ь, с ^ 0.
Решение.
Замечание. Аналогичное утверждение верно не толь-
только для трех чисел, но и для четырех, пяти и т. д.
Задача 298. Доказать, что
при а ^ 0.
Решение.
a™ =
а
а = \/а
т Р33
т раз
Здесь использовано утверждение предыдущей задачи.
Задача 299. В решении задачи 298 рассмотрены не все
возможности. Восполните пробел.
Решение. Мы предполагали, что т ^ 2. При т = 0
и 1 утверждение задачи почти очевидно. Проверим его для
отрицательных т. Пусть, например, т = —3. Тогда
— 3
Задача 300. Доказать, что
а =
для любых положительных целых т и п и для любого неот-
неотрицательного а.
Решение. Согласно определению, надо проверить,
В самом деле,
что
Задача 301. Доказать, что
(т,п^ 1, а ^0).
Задача 302. Доказать, что
п/ » < л/7"
V апЪ = а V 6
(п — положительное целое, а ^ 0, 6 ^ 0).
62. Степень с дробным показателем
Следующее мнемоническое правило может помочь запомнить
свойства корней: эти свойства (задачи 278—286) получают-
получаются из свойств степеней, если считать, что
и т. д.
162
62. Степень с дробным показателем
62. Степень/с дробным показателем
163
Например, основное свойство корня (его определение)
а) = а
теперь переписывается в виде
и становится частным случаем правила
(ар)я = аря
при р = 1/п, q = п.
Свойство
теперь запишется в виде
1/п
и получается при р = 1/пг, g = 1/п.
Задача 303. Получите с помощью этого приема все ука-
указанные в задачах 294—302 свойства корней (используя свой-
свойства степеней).
Иметь дело с мнемоническими правилами всегда несколь-
несколько унизительно, поэтому давайте поднимем его в ранге и
будем считать его определением степени с показателем 1/п
(раньше мы рассматривали степени только с целым показа-
показателем).
Определение. При целом п^1иа>0 полагаем
al'n = tf
Сразу же видно, что этого определения мало. Например,
хотелось бы написать, что
а1/3 . а1/3 = а1/3+1/3 = а2/3
(частный случай правила ат ¦ ап = ат+п при т = п = 1/3).
Но мы не знаем, что такое а2/3. Чтобы восполнить этот
пробел, определим а2/3 как (а1/3J и вообще ат1п как {ах1п)т
или, другими словами, как {{/а)т.
Определение. Для целого т и целого положительного п
определим am/n так:
am/n = (
Внимательный читатель сразу же отметит подвох в этом
определении. Например,
а10/15 определено как (
ю
в то время как
определено как
Между тем 10/15 = 2/3 и тем самым а10/15 обязано равняться
а2/3. Чтобы наше определение было корректным, необходи-
необходимо, чтобы
Задача 304. Проверьте это.
Решение.
Задача 305. Проверьте, что при сокращении общих
множителей в дроби т/п значение выражения ат1п согласно
нашему определению не меняется.
Указание. См. предыдущую задачу, где в дроби 10/15
сократился общий множитель 5.
164
62. Степень с дробным показателем
62. Степень, с дробным показателем
165
Теперь свойства степеней, которые мы знали для целых
показателей, надо проверить для показателей, равных отно-
отношению двух целых чисел (рациональных показателей).
Задача 306. Доказать, что
ар-а? = ap+q
для любых дробей р та. q.
Решение. Пусть, например, р = 2/5, q = 3/7 (в общем
случае рассуждения аналогичны). Надо проверить, что
а2/5 . аЗ/7 = а2/5+3/7
Приведем дроби 2/5 и 3/7 к общему знаменателю:
2 _ 14 3 _ 15
5 ~ 35' 7 ~ 35 "
Мы уже знаем, что
а2/5 = а14/35
= а15/35
поэтому
а2/5 • а3'7 = а14/35 • а15/35 = ( *ЩЫ ¦ ( 3Щ15 =
= а(М+15)/35 _ а14/35+15/35 _ fl2/5+3/7
Задача 307. Доказать, что
(ab)m/n = am/n • 6m/n.
Задача 308. Доказать, что
(а?)" = а™
для любых рациональных показателей р и q
Решение. Сначала пусть q — целое, ар = т/п.
= а™.
Пусть теперь q = 1/к при некотором целом к, а р — т/п.
Тогда
Обозначив >/о через Ь, продолжим:
_ am/kn _ am/n-l/k _ apq
Наконец, для произвольного д = 1/к имеем
{a?)" = {apfk = (у&У = ((а*I/*)' = (а'/*)' = apllk = a
Сначала мы воспользовались тем, что
(ap)i =ap-*,
| и затем использовали, что
»
| (Эти два частных случая интересующего нас равенства мы
разобрали заранее.)
I Задача 309. Доказать, что при а > 1 значение ар увели-
i чивается с ростом р, а при 0 < а < 1 значение ар уменьшается
j с ростом р.
Указание. Приведите сравниваемые значения пока-
| зателя к общему знаменателю. Не забудьте, что р может
i быть и отрицательным (и в этом случае утверждение задачи
| остается верным).
166
63. Доказательства числовых неравенств
63. Доказательства числовых неравенств
167
Эта задача открывает возможность определения ах и для
чисел х, не являющихся отношениями двух целых. Например,
число
можно пытаться определить как число, большее всех чисел
вида 2р/? цри p/q < у/2 и меньшее всех чисел вида 2plq при
p/q > у/2. (То, что такое число существует и единственно,
доказывается в курсе математического анализа.)
Задача 310. Как бы Вы определили
Ответ. Естественно считать, что 1
или ~1/\/а ?
= а2, ~1/у/а =
63. Доказательства числовых неравенств
Все приводимые в этом разделе неравенства можно в прин-
принципе было бы доказать, вычислив левую и правую части. Од-
Однако это, как правило, не наилучший способ.
Задача 311. Доказать, что
I
2
< 1.
101 102 200
Решение. Каждый из 100 членов суммы находится
между и ——. Если бы все они равнялись ^гг, то сумма
равнялась бы —; если бы все они равнялись Тл7Г> то в сУмме
2 100
они дали бы 1.
Задача 312. Доказать, что
1 111
200
< 1.
Решение. Левое неравенство получится, если
ровать
сгруппи-
сгруппи(первая скобка равна 1/2, а все следующие положительны).
Правое получится, если записать
"• V198 199) 200'
Замечание. На самом деле две предыдущие задачи
говорят об одном и том же, так как
1 1
101 ' 102 ' ¦¦
Задача 313.
Решение.
1 1
1 i
1
' 200 1
Убедитесь
1
2
1
3
в этом.
1
4
199 200 *
101
1 200
+ Тоо) -
+ 2ООУ =
J. 1_
200"
Задача 314. Доказать, что A,01I00 ^ 2.
Первое решение.
A,01I00 = A + 0,01)A + 0,01)... A + 0,01)
100 сомножителей
168
63. Доказательства числовых неравенств
Что получится, если раскрыть скобки? Один член будет ра-
равен 1 (произведение всех единиц). Еще будут члены, которые
получатся, если в одной скобке взять 0,01, а во всех осталь-
остальных — по единице. Таких членов будет 100, а каждый из них
равен 0,01. Будут и другие члены (равные 0,012, 0,013 и т. п.),
но уже эти в сумме дают
1 + 100 • 0,01 = 2.
Второе решение.
1.012 = 1,0201 > 1,02,
1.013 = 1,012 • 1,01 > 1,02 • 1,01 = A + 0,02)A + 0,01) =
= 1 + 0,02 + 0,01 + 0,02 • 0,01 > 1,03,
1.014 = 1,013 • 1,01 > 1,03 • 1,01 = A + 0,03)A + 0,01) =
= 1+ 0,03 + 0,01 + 0,03 • 0,01 > 1,04,
1,01е > 1,05,
1,016 > 1,06,
1,01" > 1,99,
1,01
100
2.
Задача 315. Доказать, что
1
63. Доказательства числовых неравенств
169
Решение.
1
4
1
9
1
16
1
212
312
1
1
1-2
1
1
i
1
1
1
2
1
3
1
2
3
1
4
1002
99 • 100
99 100
Отсюда (складываем все неравенства)
, 111 1
1 + + + + +
Пары противоположных членов (—- и -, и -) сокраща-
? ? о о
ются, и остается 1 + 1 — ygg, что меньше 2.
<20.
Задача 316. Что больше: 10002000 или 20001000 ?
Задача 317. Доказать, что
11 1
+ 2 + 3 +""'+ 1000000
Доказать, что при некотором п
п
Указание. В выражении
1 1 1
хаждая скобка не меньше 1/2 и не больше 1 (см. выше).
170 64. Среднее арифметическое и среднее геометрическое
65. Неравенство о средних
171
64. Среднее арифметическое
и среднее геометрическое
Средним арифметическим чисел а и Ь называется их полу-
а + Ь __ ^ а + Ь
сумма . Название объясняется тем, что точка чи-
еловой прямой находится посередине между точками а и Ь
(см. рис.25).
Задача 318. Проверьте это.
Решение. Пусть, например, а < Ь, т.е. точка а левее
точки Ъ.
а ±±Ь ь
Рис. 25
Расстояние между ними равно Ь — а; прибавив к а половину
этого расстояния, получим
а
Ь — а 2а + Ь — а
а
Задача 319. Среднее арифметическое чисел 1 и а рав-
равно 7. Чему равно а?
Средним геометрическим неотрицательных чисел а и Ь
называют квадратный корень из их произведения: yfab.
(Ограничение случаем неотрицательных а и Ъ связано с тем,
что при разных знаках а и Ъ произведение аЪ отрицательно и
квадратный корень не извлекается. Если же оба числа отри-
отрицательны, то Vab определен, но было бы странно называть
положительное число л/аЬ средним между отрицательными
числами а и Ъ.)
Задача 320. Среднее геометрическое чисел 1 и а рав-
равно 7. Чему равно а?
Задача 321. 1. Чему равна сторона квадрата, периметр
которого равен периметру прямоугольника со сторонами а,
и Ь? 2. Чему равна сторона квадрата, площадь которого
равна площади прямоугольника со сторонами а, Ь?
Задача 322. Бывают арифметические и геометриче-
геометрические прогрессии, а также арифметическое и геометрическое
средние. Случайно ли совпадение терминов?
Решение. Три числа
о, [среднее арифметическое а и 6], Ь
составляют арифметическую прогрессию, а три числа
а, [среднее геометрическое а и 6], b
составляют геометрическую прогрессию.
Еще один способ определить среднее арифметическое
и геометрическое: среднее арифметическое на столько же
больше а, насколько меньше 6; среднее геометрическое во
столько же раз больше а, во сколько раз меньше Ь.
65. Среднее геометрическое не больше
среднего арифметического
Задача 323. Для неотрицательных чисел а та. Ъ
у/а~Ь<
а + Ь
172
66. Задачи на максимум и минимум
66. Задачи ца максимум и минимум
173
Решение. Чтобы сравнить неотрицательные числа у/а
а-\-Ъ
и , сравним их квадраты и докажем, что
(а
Другими словами, надо проверить, что АаЪ ^ (о + ЬJ, или
4аЬ^ а2 +2аЬ + Ь2,
О ^ а2 - 2аЬ + Ь2.
В правой части последнего неравенства читатель легко узна-
узнает квадрат разности (а — ЬJ, что и завершает доказательство
(квадрат всегда неотрицателен).
Задача 324. В каких случаях среднее арифметическое
равно среднему геометрическому?
Решение. Как видно из решения предыдущей задачи,
среднее арифметическое чисел а и Ь равно их среднему гео-
геометрическому в том и только том случае, если (а — ЬJ = О,
т.е. а = Ь.
66. Задачи на максимум и минимум
Задача 325. 1. Каково максимально возможное значе-
значение произведения двух неотрицательных чисел, сумма кото-
которых равна с? 2. Каково минимально возможное его значе-
значение?
Решение. 1. Среднее арифметическое их равно с/2,
так что их среднее геометрическое не превосходит с/2, а его
квадрат (т. е. произведение чисел) не превосходит с2/4 — это
максимально возможное значение достигается, когда числа
равны.
2. Минимально возможное значение равно 0. Так будет,
если одно из чисел равно 0, а другое равно с.
Задача 326. Каковы максимально и минимально воз-
возможные значения суммы двух неотрицательных чисел, про-
произведение которых равно с > 0?
Решение. Среднее геометрическое этих чисел равно
л/с, поэтому их полусумма не меньше ^/с, а сумма не меньше
2л/с. (Это значение достигается, если числа равны.) Макси-
Максимального значения не существует — сумма может быть сколь
угодно велика, если одно число близко к нулю, а другое ве-
велико.
Замечание. Как Вы помните, мы уже встречали две
последние задачи, когда говорили о минимальном и макси-
максимальном значениях квадратичного многочлена.
Задача 327. Какова максимальная площадь прямо-
прямоугольного участка, если длина забора 120 м?
Задача 328. Какова максимальная площадь прямо-
прямоугольного участка пляжа, изображенного на рис. 26, если
длина забора 120 м? (От моря пляж не отгорожен!)
Решение. Мысленно возведем симметричный забор в
море (см. рис.27). Периметр полученного прямоугольника
будет 240, а площадь его будет максимальной, когда это ква-
квадрат со стороной 60, и равна 36002. Реальная площадь на
берегу вдвое меньше и равна 18002, когда забор состоит из
кусков длиной 30, 60 и 30.
забор забор
суша
суша
море
море
Рис. 26
Рис. 27
174
67. Геометрические иллюстрации
67. Геометрические иллюстрации
175
Задача 329. Каково максимально возможное значение
произведения ab, если а и 6 — неотрицательные числа, для
которых а + 26 = 3?
Решение. Произведение чисел а и 6 максимально, ко-
когда максимально произведение чисел а и 26 — а оно макси-
максимально, когда эти числа равны, т. е. а = 26 = 3/2. Итак,
максимальное значение произведения аЪ равно
3 3 = 9
2 ' 4 ~ 8 '
67. Геометрические иллюстрации
Некоторые из доказанных неравенств можно пояснить рисун-
рисунками.
1. Неравенство
у/аЬ<
а + Ь
перепишем в виде
2л/а6< а + Ь
и, возведя в квадрат, получим
4а6 < (а + бJ.
Это подтверждается тем, что четыре прямоугольника а х 6
можно поместить в квадрат со стороной а + 6 и при этом
еще останется свободное место в середине, если а ф Ъ (см.
рис. 28).
Задача 330. Сколько останется места? Сравните ре-
результат с алгебраическим доказательством неравенства о
средних.
2. Проведем биссектрису прямого угла и построим два
равнобедренных прямоугольных треугольника с катетами а
и 6 (см. рис. 29). Их площади равны о2/2 и 62/2. Вместе эти
<
г
Ь
Рис. 28 Рис. 29
треугольники покрывают прямоугольник а х Ь, поэтому
„2 I t2
Чтобы увидеть в этом неравенстве неравенство о средних,
подставим у/с и s/d вместо а и 6:
Замечание. Вместо биссек-
биссектрисы можно было бы провести
другие линии (см. рис. 30) и до-
доказать другие неравенства — на-
надо только уметь вычислять пло-
площади «криволинейных треуголь-
треугольников». Например, для кривой
у = х2 получаем (как подтвердят
знатоки математического анали- _
за) «треугольники» площадей а3/3
и —Ъл/Ъ, и неравенство
а3 2 г-
аЬ < — + -6V6,
которое выполняется для любых неотрицательных о и 6.
а3/3
Рис. 30
176
68. Средние многих чисел
68. Средние многих чисел
177
68. Средние многих чисел
Среднее арифметическое трех чисел а, Ь, с определяется как
а + Ь + с a/-!- ,
; среднее геометрическое — как vabc (мы вновь
о
предполагаем, что a,b,c ^ 0). Аналогичные определения
даются и для любого количества чисел: среднее арифмети-
арифметическое п чисел а\,..., ап определяется как
ai+... + Оп
п
среднее геометрическое неотрицательных чисел а\,... ,ап —
как
а2 ... ап .
Неравенство о среднем арифметическом и среднем геоме-
геометрическом верно для любого количества чисел:
аг + ... + ап
а2 ¦ • • ап
п
Как и в разобранном ранее случае двух чисел, равенство воз-
возможно, только если все числа равны.
Прежде чем доказывать неравенство, извлечем некоторые
следствия.
Задача 331. Используя неравенство, доказать, что если
ai,... ,ап — неотрицательные числа, для которых
то
• о2
1 •
Решение.
п
а2...а
ai + ... + an
n
• а2 ... а
В двух следующих задачах также предполагается исполь-
использовать неравенство о среднем арифметическом и среднем
геометрическом (без доказательства).
Задача 332. Доказать, что произведение п неотрица-
неотрицательных чисел с заданной суммой максимально, когда эти
числа равны.
Задача 333. Доказать, что сумма п неотрицательных
чисел с заданным произведением минимальна, когда эти чи-
числа равны.
Существуют разные доказательства неравенства о сред-
средних арифметическом и геометрическом, но наиболее есте-
естественное использует математический анализ (понятие про-
производной). Мы обойдемся без него — но поневоле это будет
выглядеть как трюк.
Задача 334. Доказать неравенство о среднем арифме-
арифметическом и среднем геометрическом для п = 4.
Решение. Нам даны 4 неотрицательных числа о, Ъ,
с, d. Будем менять их, сохраняя неизменной их сумму (и,
следовательно, среднее арифметическое). При этом их про-
произведение будет меняться — и мы будем следить за тем, как
именно. Наше доказательство проходит в несколько этапов.
1. Заменим а и & на два числа, каждое из которых равно
а + Ь
а, Ь, с, d
а + Ь а + Ь
Сумма не изменится. Произведение возрастет (или останется
прежним, если а =¦ Ь): сомножители с и d не меняются, а про-
произведение двух чисел с заданной суммой (а + Ь) максимально,
когда числа равны.
178
68. Средние многих чисел
68. Средние многих чисел
179
2. То же самое сделаем с с и d:
а + Ь а + Ь
, с, d
а + Ь а + Ь c + d c + d
2 ' 2 ' "' " 2 ' 2 ' 2 ' 2 '
Сумма не изменится, произведение снова увеличится (или
останется прежним, если с — d).
3. Мы выравняли числа в первой паре й во второй паре,
теперь будем выравнивать между парами:.
a + b a + b c + d c + d
2 ' 2 ' 2 ' 2 **"
а+Ь+c+d а+Ь а+Ь+c+d c+d
=> _ f 2 , - , 2 •
4. Теперь осталось выравнять второе и четвертое числа:
а + Ь + c + d a + b a + b + c + d c + d
4 ' 2 ' 4 ' 2 ^
a+6+c+d а+Ь+c+d а+Ь+c+d а+Ь+c+d
=> 4 ' 4 ' 4 ' 4 *
В конечном итоге мы заменили числа
а, Ь, с, d
на числа
С С С С
где S = (а + Ь + с + d)/4 — среднее арифметическое, и их
произведение возросло (или осталось прежним)
a • Ъ ¦ с • d ^ S • S ¦ S ¦ S
тали.
Что и требовалось.
Задача 335. Доказать, что неравенство между средним
арифметическим и средним геометрическим для четырех чи-
чисел превращается в равенство, только если все числа равны.
Указание. Из решения предыдущей задачи видно, что
равенство возможно лишь, если на всех стадиях описанного
там процесса наши числа фактически не изменялись.
Задача 336. Как доказать неравенство о среднем ариф-
арифметическом и геометрическом для п = 8?
Решение. Точно так же: сначала выравниваем числа
в четырех парах, затем между парами — и получается две
четверки, затем выравниваем все восемь.
Задача 337. Доказать неравенство о среднем арифме-
арифметическом и геометрическом для п = 3.
Решение. Из трех чисел а, Ь, с сделаем четыре, добавив
среднее геометрическое: получатся числа
о, Ь, с, vabc,
к которым применим неравенство для четырех чисел:
4/ г 3/-Г- ^ a + b + c+ \/abc
yabcVabc ^ .
Корень, стоящий в левой части неравенства, представляет со-
собой не что иное, как \/аЬс. Чтобы убедиться в этом, возведем
оба (неотрицательных) числа у/аЬсуаЬс и \/abc в четвертую
степень: получим одно и то же:
1 yabcVabc) = abcvabc
f з/ "\ ^ ( з/ \ ^ з/ з/
I vabc) = ( Vabc) Vabc = abcVabc.
180
68. Средние многих чисел
Итак,
\/аЬс
'а
3\/abc
а
4 '
с+ \/аЪс,
а + Ь + с,
а+Ь+с
Что и требовалось доказать.
Задача 338. Используя неравенство о средних для п = 8,
доказать его для п = 7.
Задача 339. Доказать неравенство о средних для п = 6.
Указание. Воспользоваться предыдущими задачами.
Задача 340. Доказать неравенство о средних для всех
целых п ^ 2.
Указание. Сначала доказываем для п = 2, 4, 8, 16,
32,..., а затем спускаемся вниз.
Задача 341. Доказать, что неравенство между арифме-
арифметическим и геометрическим средними обращается в равенст-
равенство, только если все числа равны.
Неравенство о среднем арифметическом и геометриче-
геометрическом можно доказывать и по-другому.
Заметим прежде всего, что если все числа аг,..., ап уве-
увеличить в одно и то же число раз — например, в три раза —
то и среднее арифметическое, и среднее геометрическое уве-
увеличатся в то же самое число раз. При этом их соотношение
сохранится. Поэтому, желая доказать неравенство о сред-
среднем арифметическом и среднем геометрическом, можно из-
68. Средние многих чисел
181
менить все числа во столько раз, чтобы среднее арифмети-
арифметическое стало равно 1. Тем самым достаточно доказать:
= п
. On ^ 1.
Будем доказывать это для различных значений п.
1. Для п = 2 мы это уже знаем: если сумма двух чи-
чисел равна 2, то их можно записать как 1 + Ли 1 — Ли их
произведение равно (l + /i)(l — h) = 1 — /i2 ^ 1.
2. Докажем это для п = 3. Пусть сумма трех положи-
положительных чисел о, Ь, с равна 3. Если не все они равны 1, то
среди них есть как числа, большие 1, так и числа, меньшие 1.
Пусть например, а < 1, Ь > 1. Тогда а — 1<0, Ь — 1>0и
произведение
(а - 1)F -1)=а6-в-6+1
будет отрицательным, т. е.
аЬ+1 < а + Ъ.
Так как
(а + Ъ) + с = 3,
то
или
аЬ + с < 2.
Глядите-ка: мы имеем два числа аЬ и с, их сумма меньше 2, а
доказать надо, что их произведение не больше 1. А для двух
чисел мы это уже знаем.
Внимательный читатель остановит нас: для двух чисел
мы доказали, что если сумма равна 2, то произведение не
182
68. Средние многих чисел
68. Средние многих чисел
183
больше 1. А здесь сумма меньше 2. Но эта разница несуще-
несущественна: увеличим одно из чисел, сделав сумму равной 2 —
от этого произведение только возрастет.
3. Пусть теперь п = 4: мы должны доказать, что
о, Ъ, с, d ^ 0, o
abed ^ 1.
Опять же одно из чисел (например, а) должно быть меньше 1,
а другое (например, Ь) должно быть больше 1. Тогда
ab + 1 <а + Ь, (а + Ь) + с + d = 4,
поэтому
ab + l + c + d<4, ab + c + d < 3.
И вновь осталось доказать, что если сумма трех (неотрица-
(неотрицательных) чисел меньше 3, то их произведение не больше 1 —
мы свели дело к доказанному ранее. И так далее.
Следующее доказательство неравенства о среднем ариф-
арифметическом и геометрическом для трех чисел является, ве-
вероятно, самым коротким — но и самым загадочным.
Из тождества
о3 + Ь3 + с3 - ЗаЬс = i (о + Ь + с) ((о -ЬJ + (Ь- сJ + (о - сJ),
которое легко проверить, раскрыв скобки, следует, что при
неотрицательных о, Ь, с его левая часть неотрицательна, то
есть з ..з .3
а3 +Ь3 + с?
Остается подставить вместо о, Ь и с кубические корни
p + q
А вот еще одно обоснование неравенства о среднем ариф-
арифметическом и геометрическом.
Нам нужно доказать, что произведение п неотрицатель-
неотрицательных чисел с заданной суммой максимально, когда числа рав-
равны. Пусть это не так и числа oi, ог,..., оп, для которых про-
произведение максимально, не все равны между собой. Пред-
Предположим, для примера, что а\ Ф а-х- Будем менять а\ йог,
оставляя оз,. •. ,оп неизменными, причем так, чтобы сумма
°i + «2 оставалась постоянной. Произведение 0102, а с ним
и произведение a\a<i... оп будет меняться. Сделав а\ и а-х
равными, мы увеличим их произведение, поскольку произ-
произведение двух неотрицательных чисел с постоянной суммой
максимально, когда числа равны. Тем самым увеличится и
произведение а.\... оп — значит, оно не было максимально
возможным!
Задача 342. Найти недостаток в этом рассуждении.
Ответ. Мы доказали, что максимум произведения
oi-... -оп (при постоянной сумме) не может достигаться, если
числа oi,..., ап не равны. Но не доказали, что этот макси-
максимум вообще достигается. На самом деле этот факт следует
из общих теорем математического анализа, так что пробел
может быть восполнен. Кроме того, можно усложнить наше
рассуждение, сближая а± и ог не до полного совпадения, а до
тех пор, пока одно из них не станет равным среднему ариф-
арифметическому чисел oi,..., оп. Тогда в конце концов все числа
станут равными среднему арифметическому.
Задача 343. Числа oi,... ,а„ положительны; доказать,
что
°1 , °2 . , on_i оп
1h Ч1^ п.
1 h ... Ч
Задача 344. Доказать,
при любых о, b ^ 0.
оп
1
что
^ о+ 26
184
68. Средние многих чисел
69. Среднее квадратическое
185
Задача 345. Каково минимальное значение а + Ь, если
аЪ2 = 1 и а, Ъ ^ 0.
Задача 346. Доказать неравенство
•/" з/г г . а + 26 + Зс
va • Vо • vc ^
о
для любых неотрицательных а, & и с.
Задача 347. Доказать неравенство
Указание. Правую часть можно представить в виде
произведения 11 сомножителей, один из которых равен
Задача 348. Доказать, что
ю
( 1V0
Решение. Число I 1 + — I можно представить как
произведение 11 сомножителей, из которых один равен 1, а
все остальные равны ( 1 + -— ). Сравнивая это произведе-
Л 1V1
ние с 1 + — I , видим, что сумма сомножителей осталась
неизменной, а все они стали равными. Следовательно, про-
произведение выросло.
Задача 349. Доказать, что
11 / 1 \ 12
а остальные равны I 1 + — j. Левая часть есть произведение
11 одинаковых сомножителей. Достаточно убедиться, что
сумма сомножителей левой части больше суммы сомножите-
сомножителей правой части и воспользоваться неравенством о среднем
арифметическом и среднем геометрическом.
Задача 350. Расположите 4 числа из двух предыдущих
задач в порядке возрастания.
69. Среднее квадратическое
Средним квадратическим двух неотрицательных чисел а, Ь
называется неотрицательное число, квадрат которого есть
среднее арифметическое квадратов чисел о и Ь, т. е. число
Задача 351. В определении речь идет о среднем ариф-
арифметическом. Что получится, если заменить его на среднее
геометрическое?
Задача 352. Доказать, что среднее квадратическое
двух чисел а, Ь ^ 0 больше или равно их среднего арифме-
арифметического:
а2 + Ь2 ^ а + Ь
186
69. Среднее квадратическое
69. Среднее квадратическое
187
(Например, среднее квадратическое чисел 0 и о равно а/у/2,
а среднее арифметическое равно а/2.)
Решение. Сравним квадраты и докажем, что
а2 + Ь2 ^ (а + ЪJ
Умножим на 4 и раскроем скобки
2(о2 + б2) ^ о2 + Ъ2 + 2аЬ,
2 + Ъ2 ^ 2о6, о2 + Ь2 - 2оЬ ^ 0.
о2
Снова левая часть есть квадрат (о — ЬJ и, следовательно,
неотрицательна.
Задача 353. При каких о и Ъ среднее квадратическое
равно среднему арифметическому?
Задача 354. Доказать, что среднее геометрическое не
превосходит среднего квадратического.
Геометрическая иллюстрация представлена на рис.31.
Нарисуем график у = х2. Соединим точки с координата-
координатами (а, а2} и (Ь, Ь2), лежащие на нем, отрезком. Середина это-
этого отрезка будет иметь координаты, являющиеся средними
арифметическими координат концов, т. е.
а + Ь а2 + Ь2
2 ' 2
Под ней на графике лежит точка
2 Ч 2
)•
так что
Рис. 31
2 a2 + fe2
^ 2 '
а + Ь
62
Таким образом, неравенство о среднем арифметическом и
среднем квадратическом означает, что что график у = х2
выпукл вниз (кривая лежит ниже «хорды»).
Задача 355. Поменяв местами оси х и у, из графика
который нахо-
нахоу = х2 мы получим график функции у =
дится выше любой своей хорды (см. рис. 32). Какому нера-
неравенству это соответствует?
Ответ.
!а + Ь
188
69. Среднее квадратическое
70. Среднее гармоническое
189
Рис. 32
Мы знаем теперь, что для любых неотрицательных о и ft
a + b
Vab
o2+fe2
2 V 2
Для каждого из этих трех видов среднего нарисуем точки
(о, Ь), для которых среднее не превосходит 1 (см. рис. 33 а—в).
A,1)
A.1)
A.1)
а)
б)
Рис. 33
в)
Совместив их на одном рисунке (рис.34), видим, что чем
больше среднее, тем меньше соответствующая область.
Рис. 34
Задача 356. Доказать неравенство о среднем арифме-
арифметическом и среднем квадратическом для трех чисел:
а + Ь +
а2 + Ь2 +С2
Задача 357. (а) Сумма двух положительных чисел рав-
равна 2. Каково минимальное значение суммы их квадратов?
(б) Тот же вопрос для суммы квадратов трех положитель-
положительных чисел, сумма которых равна 3.
70. Среднее гармоническое
Средним гармоническим положительных чисел о, Ь называет-
называется число, обратное к которому является средним арифмети-
арифметическим между 1/о и 1/Ь, т. е. число
Задача 358. Доказать, что среднее гармоническое не
превосходит среднего геометрического.
190
70. Среднее гармоническое
71. Книги для дальнейшего чтения
191
Решение. Обратная к среднему гармоническому вели-
величина есть среднее арифметическое чисел 1/о и 1/Ь; обратная
к среднему геометрическому величина есть среднее геоме-
геометрическое чисел 1/о и 1/Ь — так что остается сослаться на
неравенство о среднем арифметическом и геометрическом.
Задача 359. Числа а\... ап положительны. Доказать,
что
(аг + ...
— )
anj
Решение,
виде
Искомое неравенство можно переписать в
1
о„
п
/1 1 Л / '
( Ь... Ч /п
т.е. надо доказать, что среднее арифметическое п чисел
больше или равно их среднего гармонического. Это стано-
становится ясным, если вставить между ними среднее геометри-
геометрическое:
ап
п
о„ =
ИГ
/1 1 \ / '
(— + ... + — ) /п
\ai anj I
последнее неравенство сводится к неравенству о среднем
арифметическом и геометрическом чисел l/oi,... 1/ап.
Другое решение использует следующий трюк. Бу-
Будем доказывать более общее неравенство (называемое нера-
неравенством Коши—Буняковского)
(Piqi + •¦• +РпЯпJ <(p2 + ---
(если подставить в него pi =
д» =
получим тре-
буемое).
Чтобы доказать неравенство Копт—Буняковского, рас-
рассмотрим квадратичный трехчлен
(Pi + qixJ + (р2 + q2xJ + ... + (рп+ qnxJ.
Раскрыв в нем скобки и сгруппировав члены по степеням х,
получим трехчлен
Ах2 + Вх + С,
где
А = g2 + q\ + ... + ql,
В =
При любых х этот трехчлен неотрицателен — ведь он есть
сумма квадратов. Значит, его дискриминант В2 — 4АС не
больше нуля, т. е.
и
+¦¦• +PnqnJ <(p\+ --
Как Вам понравился этот трюк?
71. Книги для дальнейшего чтения
Для тех, кому понравилось решать задачи из этой книжки,
и кто хочет продолжить знакомство с алгеброй, мы приво-
приводим список книг для дальнейшего чтения. К сожалению,
192 71. Книги для дальнейшего чтения
математические книги сейчас стали большой редкостью, так
что найти их может быть совсем не просто.
Книги, рассчитанные на школьников без специальной
подготовки:
Р. Курант, Г. Роббинс. Что такое математика?
Элементарный очерк идей и методов, 2-е изд. М.: Просве-
Просвещение, 1967.
Г. Радемахер, О. Теплиц. Числа и фигуры. М.:
Физматгиз, 1962.
Более трудные книги для школьников:
В. Б. Алексеев. Теорема Абеля в задачах и решениях.
М.: Наука, 1976.
М. М. Постников. Теорема Ферма. Введение в тео-
теорию алгебраических чисел. М.: Наука, 1978.
Университетские учебники {для студентов младших
курсов):
Б. Л. ван дер Варден. Алгебра. М.: Наука, 1976.
И. М. Гельфанд. Лекции по линейной алгебре. М.:
Наука, 1966.
А. И. Кострикин. Введение в алгебру. М.: Наука,
1994.