background image

Równania i nierówności z wartością bezwzględną.

Rozwiązywanie układów dwóch (trzech) równań z dwiema

(trzema) niewiadomymi.

Układy równań liniowych z parametrem, analiza rozwiązań.

Definicja i własności wartości bezwzględnej.

Definicja 1. Wartością bezwzględną liczby nieujemnej nazywamy tę liczbę, a wartością
bezwzględną liczby ujemnej nazywamy liczbę do niej przeciwną, to znaczy:

|x| :=

(

x

jeśli

x ­ 0

−x jeśli x < 0

Stąd na przykład | − 5= 5, |5= 5, |0= 0, |π| π.
Uwaga.
1) Wartość bezwzględna nazywana jest też modułem.
2) Z geometrycznego punktu widzenia, |x| wyraża odległość na osi liczbowej pomiędzy punktem
a punktem 0, innymi słowy odległość od 0.
3) Na |x − y| można spojrzeć jak na odległość x − y od 0, a ta jest równa odległości na osi
liczbowej pomiędzy punktami y.
4)

x

2

|x|.

5) |x|

2

x

2

= (−x)

2

.

Własności wartości bezwzględnej

Twierdzenie 1. Niech x, y ∈ i b ∈ R, b ­ 0, wówczas

|x| | − x|,

(1)

|xy| |x||y|,

(2)

|x| ¬ b

⇐⇒

−b ¬ x ¬ b,

(3)

|x| ­ b

⇐⇒

x ¬ −b

lub

x ­ b,

(4)

|x y| ¬ |x| |y|,

(5)

|x − y| ¬ |x| |y|,

(6)

||x| − |y|| ¬ |x y|,

(7)

||x| − |y|| ¬ |x − y|.

(8)

Dowód. Własności (1) i (2) wynikają wprost z definicji wartości bezwzględnej. Dowodząc każdą
z tych własności należy rozważyć dwa przypadki: x ­ 0 i x < 0.
Pokażemy, że dla dowolnego x ∈ |x| | − x|.
Jeśli x ­ 0, to |x| i jednocześnie | − x| (−x) = x, a zatem |x| | − x|.
Jeśli x < 0, to |x| −x i jednocześnie | − x| −x, więc |x| | − x|. Stąd dla dowolnego x ∈ R
zachodzi równość (1).

Aby udowodnić własność (2) należy rozważyć trzy przypadki rozkładu znaków liczb : 1

o

x ­ 0 i y ­ 0, 2

o

x ­ 0 i y < 0 i 3

o

x < 0 i y < 0. Oczywiście przypadek 4

o

x < 0 i y ­ 0

background image

możemy pominąć, bo jest on ujęty w 2

o

. Mamy odpowiednio

1

o

x ­ ∧ y ­ 0

⇒ |xy| xy |x||y|,

2

o

x ­ ∧ y < 0

⇒ |xy| −xy x(−y) = |x||y|,

3

o

x < ∧ y < 0

⇒ |xy| xy = (−x)(−y) = |x||y|.

Własność (3), |x| ¬ b

⇐⇒

−b ¬ x ¬ b.

Pokażemy najpierw, że zachodzi implikacja −b ¬ x ¬ b

=

|x| ¬ b.

Załóżmy, że −b ¬ x ¬ b, zatem dla x ­ 0 mamy |x| x ¬ b, a dla x < 0 mamy |x| −x ¬ b.
Stąd dla dowolnych rzeczywistych spełniających warunek −b ¬ x ¬ b mamy |x| ¬ b.
Teraz implikacja w przeciwną stronę |x| ¬ b

=

−b ¬ x ¬ b.

Jeśli |x| ¬ b b ­ 0, to ponieważ wartość bezwzgledna liczby jest zawsze liczbą nieujemną,
mamy

−b ¬ |x| ¬ b.

Dla x ­ 0 powyższa nierówność przyjmuje postać −b ¬ x ¬ b, a dla x < 0 postać −b ¬ −x ¬ b.
W tym ostatnim przypadku pomnożymy strony podwójnej nierówności przez -1 otrzymując
b ­ x ­ −b. Stąd dla dowolnego x ∈ R, |x| ¬ b zachodzi −b ¬ x ¬ b.

Własność (5), |x| ­ b ⇐⇒ x ¬ −b

lub

x ­ b.

Jeśli |x| ­ b, to dla x ­ mamy |x| ­ b, a dla x < 0 otrzymujemy −x |x| ­ b, czyli x ¬ −b.
Jeśli x ¬ −b, to ponieważ b ­ 0 mamy x ¬ 0. Stąd |x| −x ­ b. Jeśli x ­ b b ­ 0, to x ­ 0,
stąd |x| x ­ 0.

Własność (6), |x y| ¬ |x| |y|.
Z własności (3) zastosowanej dla |x| mamy |x| ¬ |x|

⇐⇒

−|x| ¬ x ¬ |x|. Zatem

−|x| ¬ x ¬ |x|

i

−|y| ¬ y ¬ |y|.

Dodamy te dwie nierówności stronami, otrzymując

(|x| |y|¬ x y ¬ |x| |y|.

Teraz z własności (3) |x y| ¬ |x| |y|.

Własność (7), |x − y| ¬ |x| |y|, wynika z (5), jeśli za podstawimy −y:

|x + (−y)| ¬ |x| | − y|

⇐⇒

|x − y| ¬ |x| |y|.

Własność (8), ||x| − |y|| ¬ |x y|. Korzystając z własności (6) otrzymamy:

|x| |x y − y| ¬ |x y| |y|

|x| − |y| ¬ |x y|,

(9)

|y| |y x − x| ¬ |y x| |x|

|y| − |x| ¬ |x y|

⇔ |x| − |y| ­ −|y x|(10)

Z (9) i (10) mamy −|x+y| ¬ |x|−|y| ¬ |x+y|, a więc na podstawie (3) mamy ||x|−|y|| ¬ |x+y|.

Własność (4), ||x| − |y|| ¬ |x − y| otrzymujemy z (8) przez podstawienie := −y.

Przykład 1. Korzystając z interpretacji geometrycznej wartości bezwzględnej rozwiąż równanie
|x − 1|x − 5= 4.

Rozwiązanie. Zgodnie z Uwagą 3) zbiór rozwiązań równania jest zbiorem tych x ∈ R, dla
których suma ich odległości (na osi liczbowej) od 1 i od 5 jest równa 4. Ponieważ 1 i 5 są odległe
od siebie o 4 (jednostki osi) więc, na pewno, każda z tych liczb jest rozwiązaniem równania

background image

|x − 1|x − 5= 4. Roziązań równania nie można się spodziewać wśród liczb leżących na lewo
od 1 czy też na prawo od 5, bo dla tych, które leżą na lewo od 1 odległość od 5 jest większa od
4 i podobnie dla tych które leżą na prawo od 5, ich odległość od 1 jest większa od 4. Natomiast
każda liczba leżąca pomiędzy 1 i 5, ma tę własność, że suma jej odległości od 1 i od 5 jest równa
4. Zatem rozwiązaniem naszego równania są x ∈ [1; 5].

Przykład 2. Zapisz bez użycia symbolu wartości bezwzględnej wyrażenie |a

2

− 1|.

Rozwiązanie. Znak wartości bezwzględnej opuszczamy bez zmiany znaku wyrażenia znajdującego
się ”pod” wartościa bezwzględną, jeśli to wyrażenie jest nieujemne i ze zmianą znaku, jeśli to
wyrażenie jest ujemne. Zatem musimy rozstrzygnąć dla jakich a ∈ a

2

− ­ 0 i dla jakich a

a

2

− 0.

a

2

− ­ 0

⇐⇒

a ¬ −1

a ­ 1,

a

2

− 0

⇐⇒

< a < 1.

Stąd

|a

2

− 1=

(

a

2

− 1,

jeżeli

a ¬ −1

lub

a ­ 1,

−a

2

+ 1,

jeżeli

< a < 1.

Równania i nierówności z wartością bezwzględną.
Przy rozwiązywaniu równań lub nierówności z wartością bezwzględną stosujemy następujące
warunki równoważne, pozwalające ”opuścić” znak wartości bezwzględnej:

|x| b ⇐⇒ x −b

lub

b,

(11)

|x| |y| ⇐⇒ x

2

y

2

.

(12)

|x| ¬ |y| ⇐⇒ x

2

¬ y

2

.

(13)

oraz własności (3) i (4):

|x| ¬ b ⇐⇒ −b ¬ x ¬ b,

|x| ­ b ⇐⇒ x ¬ −b

lub

x ­ b.

W każdym z powyższych warunków x, b ∈ R i b ­ 0.

Przykład 3. Rozwiąż równania

a) |x − 2= 5,

b) |2x − 5+ 10 = 3x,

c) |x + 1|2x − 4= 9,

d) |x + 2|2+ 1|.

Rozwiązanie.
a|x − 2= 5.
Skorzystamy z (11):

|x − 2= 5

⇐⇒

x − 2 = 5

lub

x − 2 = 5

⇐⇒

3

lub

= 7.

b|2x − 5+ 10 = 3x.
Z definicji wartości bezwzględnej mamy

|2x − 5=

(

2x − 5,

jeżeli

x ­

5
2

2+ 5jeżeli x <

5
2

.

background image

Zatem nasze równanie można zapisać w postaci alternatywy układów:

(

2x − 5 + 10 = 3x
x ­

5
2

lub

(

2+ 5 + 10 = 3x
x <

5
2

,

stąd po przekształceniach otrzymamy

(

= 5
x ­

5
2

lub

(

= 3
x <

5
2

,

Drugi układ jest sprzeczny, zatem rozwiązaniem równania jest = 5.

c|x + 1|2x − 4= 9.
Ponieważ

x − 1 = 0

⇐⇒

= 1

i

2x − 4 = 0

⇐⇒

= 2,

więc należy rozważyć trzy przypadki: x < 1, 1 ¬ x < 2, x ­ 2.

Przypadek I. Jeśli x < 1, to x − 0 i 2x − 0, zatem obydwie wartości bezwzględne
opuszczamy dokonując zmiany znaku. Wówczas równanie |x + 1|2x − 4= 9 przyjmie postać
−x − − 2+ 4 = 9. Jego rozwiązaniem jest 2 i rozwiązanie to należy do rozważanego w
tym przypadku przedziału: x ∈ (−∞; 1).

Przypadek II. Jeśli 1 ¬ x < 2, to x − ­ 0 i 2x − 0. Wówczas równanie |x + 1|2x − 4= 9
przyjmie postać + 1 − 2+ 4 = 9. Jego rozwiązaniem jest 4, ale /

∈ [1; 2), zatem tę

odpowiedź odrzucamy.

Przypadek III. Jeśli x ­ 2, to x − ­ 0 i 2x − ­ 0. Wówczas równanie |x + 1|2x − 4= 9
przyjmie postać + 1 + 2x − 4 = 9. Rozwiązaniem tego równania jest = 4 i 4 ∈ [2; ).

Rozwiązaniem równania |x+1|+|2x−4= 9 jest suma rozwiązań otrzymanych w Przypadkach

I, II i III, czyli 2 lub = 4.

d|x + 2|2+ 1|.
Sposób 1

o

. Postępujemy jak w podpunkcie c). Ponieważ

+ 2 = 0

⇐⇒

2

i

2+ 1 = 0

⇐⇒

1

2

,

więc rozważymy trzy przypadki: x < −2, ¬ x < −

1
2

x ­ −

1
2

.

Przypadek I. Jeśli x < −2, to + 2 0 i 2+ 1 0, zatem obydwie wartości bezwzględne
opuszczamy dokonując zmiany znaku. Wówczas równanie |x + 2|2+ 1przyjmie postać
−x − 2 = 2x − 1. Jego rozwiązaniem jest = 1 ale 1 /

∈ (−∞2), zatem tę odpowiedź

odrzucamy.

Przypadek II. Jeśli ¬ x < −

1
2

, to + 2 ­ 0 i 2+ 1 0, wówczas równanie |x + 2|2+ 1|

przyjmie postać + 2 = 2x − 1. Jego rozwiązaniem jest 1 i 

h

− 2; 

1
2



, zatem

1 jest jednym z rozwiązań równania d).

Przypadek III. Jeśli x ­ −

1
2

, to + 2 ­ 0 i 2+ 1 ­ 0, wówczas równanie |x + 2|2+ 1|

przyjmie postać + 2 = 2+ 1. Jego rozwiązaniem jest = 1 i 1 

h

1
2



.

background image

Rozwiązaniem równania d) jest suma rozwiązań otrzymanych w Przypadkach I, II i III, czyli

1 lub = 1 .

Sposób 2

o

. Skorzystamy z (12). Jeśli moduły dwóch liczb są równe, to ich kwadraty też są

sobie równe. Zatem

|x + 2|2+ 1|

⇐⇒

(+ 2)

2

= (2+ 1)

2

⇐⇒

3x

2

− 3 = 0

⇐⇒

3(x − 1)(+ 1) = 0

⇐⇒

1

lub

= 1.

Przykład 4. Rozwiąż nierówności

a) |2+ 2| > 4,

b) |x

2

− 5| ¬ 2,

c) |2+ 2+ 3x > 4,

d)

|4x+1|
|
2x−3|

­ 2,

e) |x − 3| ­ |x − 1|.

Rozwiązanie.

a|2+ 2| > 4.
Skorzystamy z własności (4), otrzymując alternatywę nierówności:

|2+ 2| > 4

⇐⇒

2+ 2 < −4

lub

2+ 2 4

⇐⇒

x < −3

lub

x > 1.

Rozwiązaniem nierówności a) są zatem x ∈ (−∞; 3) ∪ (1; ).

b|x

2

− 5| ¬ 2.

Skorzystamy z własności (3), otrzymując równoważną nierówność podwójną:

|x

2

− 5| ¬ 2

⇐⇒

¬ x

2

− ¬ 2

⇐⇒

¬ x

2

¬ 7

⇐⇒

− x

2

¬ 0

i

x

2

− ¬ 0

⇐⇒

x ¬ −

3

lub

x ­

3

i

¬ x ¬

7

⇐⇒

¬ x ¬ −

3

lub

¬ x ¬

7.

c|2+ 2+ 3x > 4.
Nie możemy skorzystać z własności ( 4), bo w tym przypadku = 4 − 3może przyjmować
zarówno wartości nieujemne jak i ujemne. Aby rozwiązać tę nierówność musimy opuścić wartość
bezwzględną korzystając z jej definicji. Mamy zatem alternatywę układów równań:

(

2x − 2 + 3x > 4
2+ 2 0

lub

(

2+ 2 + 3x > 4
2+ 2 ­ 0,

Rozwiązując nierówności w układach otrzymamy:

(

x > 6
x < −1

lub

(

x >

2
5

x ­ −1,

Pierwszy z powyższych układów nierówności ma pusty zbiór rozwiązań, a rozwiązaniem drugiego

układu są x >

2
5

. Rozwiązaniem nierówności c) są x ∈



2
5



.

background image

d)

|4x+1|
|
2x−3|

­ 2.

Ponieważ



x

y



=

|x|
|y|

,

zatem równanie d) jest równoważne równaniu



4+ 1

2x − 3



­ 2.

Zastosujmy własność (5):



4+ 1

2x − 3



­ 2

⇐⇒

4+ 1

2x − 3

¬ −2

lub

4+ 1

2x − 3

­ 2.

Dziedziną tej podwójnej nierówności wymiernej jest zbiór R \ {

3
2

}. Dalej mamy

4+ 1

2x − 3

¬ −2

lub

4+ 1

2x − 3

­ 2

⇐⇒

8x − 5

2x − 3

¬ 0

lub

7

2x − 3

­ 0.

Rozwiążemy nierówności pomocnicze, w których zamiast badać znak ilorazu, zbadamy znak
iloczynu czynników występujących w powyższych nierównościach:

(8x − 5)(2x − 3) ¬ 0

lub

2x − ­ 0

⇐⇒

x ∈

h

5

8

;

3

2

i

lub

x ∈



3

2



⇐⇒

x ∈

h

5

8



,

Ponieważ =

3
2

nie należy do dziedziny nierówności d), więc rozwiązaniem nierówności są

x ∈

h

5
8

;

3
2





3
2



.

e|x − 3| ­ |x − 1|.

Sposób 1

o

. Zastosujemy warunek (13), otrzymując

|x − 3| ­ |x − 1|

⇐⇒

(x − 3)

2

­ (x − 1)

2

⇐⇒

6+ 9 ­ −2+ 1

⇐⇒

x ¬ 2.

Rozwiązaniem nierówności e) są x ∈ (−∞; 2].

Sposób 2

o

. Możemy rozważyć trzy przypadki: x < 1, 1 ¬ x < 3, x ­ 3, postępując podobnie jak

w punkcie c) Przykładu 3.

Układy dwóch równań liniowych z dwiema niewiadomymi.

Niech dany będzie układ dwóch równań liniowych o niewiadomych xy

(A)

(

a

1

b

1

y

=

c

1

a

2

b

2

y

=

c

2

,

gdzie a

1

, b

1

, a

2

, b

2

∈ R.

Definicja 2. Każdą parę liczb (x, y), która jest jednocześnie rozwiązaniem obu powyższych
równań, nazywamy rozwiązaniem tego układu.

background image

Na przykład rozwiązaniem układu

(B)

(

2x − y

=

4

+ 2y

=

3

jest para liczb (1, −2), bo 2 · − (2) = 4 i 1 + 2(2) = 3.

1

o

Jeżeli dla każdej pary współczynników a

i

, b

i

, dla = 12, przynajmniej jeden z nich jest różny

od zera tzn. a

1

6= 0 lub b

1

6= 0 i a

2

6= 0 lub b

2

6= 0, to wykresem każdego z równań układu (A)

jest prosta. Oznaczmy pierwszą z nich przez l

1

a drugą przez l

2

, zatem l

1

a

1

b

1

c

1

i

l

2

a

2

b

2

c

2

.

Uwaga.
1) Jeśli proste l

1

l

2

nie są równoległe, to przecinaja się, zatem maja dokładnie jeden punkt

wspólny. Mówimy wówczas, że układ (A) jest oznaczony, a o równaniach tego układu mówimy, że
są niezależne. Taki układ równań ma dokładnie jedno rozwiązanie, którym jest para współrzędnych
punktu przecięcia się prostych l

1

l

2

.

2) Jeśli proste l

1

l

2

są różne i równoległe, to nie mają żadnego punktu wspólnego. Wtedy o

układzie (A) mówimy że jest sprzeczny, a o równaniach, że są wzajemnie sprzeczne. Układ taki
nie ma rozwiązań, żadna para liczb nie spełnia jednocześnie obu równań.
3) Jeśli proste l

1

l

2

pokrywają się, to układ (A) nazywamy nieoznaczonym. Układ taki ma

nieskończenie wiele rozwiązań, każda para która spełnia równanie pierwsze spełnia też równanie
drugie układu.

2

o

Jeżeli, w którymś z równań układu (A), każdy ze współczynników a

i

b

i

dla = 12 jest

równy zero, to równanie takie jest postaci 0+ 0c

i

, zatem ma rozwiązanie, gdy c

i

= 0

(każda para liczb (x, y) jest rozwiązaniem tego równania) i nie ma rozwiązań, gdy c

i

6= 0. Stąd

dla a

1

a

2

b

1

b

2

c

1

c

2

= 0 układ (A) ma nieskończenie wiele rozwiązań. Jego

rozwiązaniem jest każda para (x, y), gdzie x, y ∈ R. Jeśli natomiast, a

1

a

2

b

1

b

2

c

1

6= 0

lub c

2

6= 0, to układ (A) nie ma rozwiązań.

Układy równań liniowych rozwiązujemy algebraicznie lub graficznie. Wśród metod algebraicznych
wyróżniamy metodę podstawiania, metodę przeciwnych współczynników i metodę wyznaczników.

Metoda podstawiania polega na wyznaczeniu niewiadomej z jednego z równań i podstawieniu

jej do równania drugiego. Zilustrujemy to na przykładzie:

(

2x − y = 4
+ 23

⇐⇒

(

= 2x − 4
+ 2(2x − 4) = 3.

Stąd

(

= 2x − 4
5= 5

⇐⇒

(

2
= 1.

Zatem para (1, −2) jest rozwiązaniem układu równań.

Metoda przeciwnych współczynników polega na mnożeniu równań przez różne od zera stałe i

dodawaniu tych równań stronami. Pokażemy to na przykładzie:

(

2x − y = 4
+ 23

⇐⇒

(

2x − y = 4
+ 2(2)

⇐⇒

(

2x − y = 4
2x − 4= 6.

background image

Dodajemy stronami równanie drugie do pierwszego, otrzymując:

(

5= 10
2x − 4= 6.

Dalej mamy

(

2
2x − 4= 6

⇐⇒

(

2
2x − 4(2) = 6.

⇐⇒

(

2
22.

Ostatecznie rozwiązaniem układu (B) jest para liczb (x, y) = (1, −2).

Metoda wyznaczników rozwiązywania układów równań liniowych.

Wyznacznikiem W układu (A) nazywamy różnicę iloczynów a

1

b

2

− a

2

b

1

, co zapisujemy tak:

=



a

1

b

1

a

2

b

2



a

1

b

2

− a

2

b

1

.

Dla układu (A) przez wyznaczniki charakterystyczne W

x

W

y

rozumiemy odpowiednio:

W

x

=



c

1

b

1

c

2

b

2



c

1

b

2

− c

2

b

1

,

W

y

=



a

1

c

1

a

2

c

2



a

1

c

2

− a

2

c

1

.

Na przykład dla układu (B) mamy

=



2

1

1

2



= 4 + 1 = 5,

W

x

=



4

1

3 2



= 8 − 3 = 5,

W

y

=



2

4

1

3



− 4 = 10.

Twierdzenie 1. Układ (Arównań liniowych z dwiema niewiadomymi ma dokładnie jedno
rozwiązanie, gdy W 6
= 0, przy czym

=

W

x

W

,

=

W

y

W

.

Nie ma rozwiązań, gdy W = 0 i jednocześnie W

1

6= 0 lub W

2

6= 0, a także wówczas, gdy

W

x

W

y

= 0 oraz a

1

a

2

b

1

b

2

= 0 i c

1

6= 0 lub c

2

6= 0.

Ma nieskończenie wiele rozwiązań zależnych od jednego parametru rzeczywistego, gdy W W

x

=

W

y

= 0 i co najmniej jedna z liczb a

1

, a

2

, b

1

, b

2

jest różna od zera, albo od dwóch parametrów

rzeczywistych, gdy a

1

a

2

b

1

b

2

c

1

c

2

= 0.

Stąd układ (B) ma dokładnie jedno rozwiązanie (x, y), gdzie =

W

x

W

=

5
5

= 1 i =

W

y

W

=

10

5

=

2.

Przykład 4. W wolne miejsce wpisz tak dobrane równanie liniowe zmiennych y, aby
otrzymany układ równań, miał a) dokładnie jedno rozwiązanie , b) nieskończenie wiele rozwiązań,
c) nie miał rozwiązań. Przedstaw interpretację graficzną tak zaproponowanych układów równań.

(

3+ 2y

=

7

.........

=

Rozwiązanie.
Oznaczmy przez ax by ogólną postać poszukiwanego równania, które należy wstawić

background image

w układzie równań w wolne miejsce. Przyjmijmy, że b 6= 0. Zapiszmy równania prostych l

1

:

3+ 2= 7 i l

2

ax by z danego układu równań w tzw. postaci kierunkowej:

l

1

3

2

+

7

2

l

2

a

b

+

c

b

dla

b 6= 0.

a) Aby układ miał dokładnie jedno rozwiązanie, to prosta l

1

powinna przecinać prostą l

2

dokładnie w jednym punkcie. To znaczy, że proste te nie mogą być równoległe, w szczególności
nie mogą się pokrywać. Proste są równoległe, jeśli maja jednakowe współczynniki kierunkowe,
czyli w naszym przypadku dla

3

2

a

b

⇐⇒

= 3k

i

= 2k

dla pewnego k ∈ \ {0}. Jeżeli współczynniki spełniają warunek:

3

2

6=

a

b

(14)

to proste l

1

l

2

nie są równoległe i co za tym idzie przetną się w jednym punkcie. Zatem jeśli

np. = 3 i = 1 lub 5 i 

1
2

lub = 0 i = 2, to dla dowolnego c, układ równań ma

dokładnie jedno rozwiązanie. Proponowany układ będzie wtedy postaci:

(

3+ 2y

=

7

3y

=

1

lub

(

3+ 2y

=

7

5

1
2

y

=

7

lub

(

3+ 2y

=

7

2y

=

4.

Możemy oczywiście, podać wiele innych możliwych układów wartości współczynników b, dla
których 

a

b

6

3
2

, a zatem dla których proste l

1

l

2

, mają dokładnie jeden punkt wspólny, a

układ równań ma dokładnie jedno rozwiązanie. Zauważmy, że z warunku 

a

b

6

3
2

wynika, że

2a − 3b 6= 0, tzn., że W 6= 0.

b) Układ będzie miał nieskończenie wiele rozwiązań, jeśli proste l

1

l

2

będą się pokrywały, to

znaczy, gdy = 3, = 2 i = 7, ale również gdy

= 3k

i

= 2k

i

= 7k

dla pewnego k ∈ \ {0}. Proponowany układ równań będzie postaci

(

3+ 2y

=

7

3+ 2y

=

7

lub

(

3+ 2y

=

7

3kx + 2ky

=

7k.

Możemy zatem znów podać wiele takich układów wartości współczynników abc, np. = 12,

= 8 = 28 (tu = 4); 12, 8, 28 (tu 4), =

1
3

=

2
9

=

7
9

(tu

=

1
9

) itd. Charakterystyczne jest to, że asą proporcjonalne do odpowiednio 3, 2 i 7 z

tym samym współczynnikiem proporcjonalności k ∈ \ {0}, tzn.

∃ k ∈ \ {0}

a

3

=

b

2

=

c

7

k.

(15)

Z warunku (15) wynika, że W

x

W

y

= 0.

c) Układ będzie sprzeczny, jeśli proste l

1

l

2

nie przetną się, to znaczy wtedy, gdy będą równoległe

ale nie będą się pokrywały. Trzeba więc tak dobrać współczynniki abc, aby współczynniki
kierunkowe prostych były równe, a c 6= 7, tzn.

3

2

a

b

c 6= 7,

background image

co można też zapisać w postaci:

∃ k ∈ \ {0}

a

3

=

b

2

k

i

c

7

6k.

(16)

Warunek (16) zapisany za pomocą wyznaczników układu równań, oznacza, że = 0 i W

x

6= 0

W

y

6= 0. Weźmy = 3, = 2 i = 5, lub = 7 otrzymamy wtedy układ

(

3+ 2y

=

7

3+ 2y

=

5.

lub

(

3+ 2y

=

7

32y

=

7.

Przykład 5. Rozwiąż układy równań liniowych dwóch zmiennych metodą wyznaczników:

(C)

(

+ 2= 3
2x − 3= 1

(D)

(

−y + 2= 3
4x − 2= 6

(E)

(

2+ 6= 7
+ 3= 1.

Rozwiązanie.
(C)

=



1

2

2

3



6= 0,

W

x

=



3

2

1

3



11,

W

y

=



1

3

2

1



5.

Ponieważ wyznacznik główny W 6= 0, zatem układ (C) ma dokładnie jedno rozwiązanie (x, y),
gdzie

=

W

x

W

=

11

7

=

W

y

W

=

5

7

.

(D) Uporządkujmy w tym układzie kolumny niewiadomych tak, aby niewiadoma z pierwszego
równania ”stała” nad niewiadomą z drugiego równania, to znaczy zapiszemy układ (D) w
postaci:

(

2x − y = 3
4x − 2= 6.

Obliczymy wyznaczniki układu:

=



2

1

4

2



= 0,

W

x

=



3

1

6

2



= 0,

W

y

=



2

3

4

6



= 0.

Wszystkie wyznaczniki są równe zero, zatem korzystając z Twierdzenia (1) wnioskujemy, że
układ ten ma nieskończenie wiele rozwiązań. Widać też, że ponieważ równania są proporcjonalne
(równanie pierwsze wystarczy pomnożyć przez 2, a otrzymamy równanie drugie układu), to każda
para (x, y), która spełnia jedno z równań spełnia jednocześnie równanie drugie. Wyznaczmy
jedną z niewiadomych np. z równania pierwszego:

2x − y = 3

⇐⇒

= 2x − 3.

Stąd rozwiązaniem równania 2x − y = 3 jest każda para liczb postaci (x, y) = (x, 2x − 3).
Jednocześnie widać, że ta para spełnia również równanie drugie (dzieje się tak dzięki proporcjonalności
tych dwóch równań):

4x − 2(2x − 3) = 6

⇐⇒

6 = 6.

Zatem rozwiązaniem układu (D) są pary liczb postaci (x, 2x−3), gdzie pod możemy podstawić
dowolną liczbę rzeczywistą, stąd wynika nieskończona liczba rowiązań układu.

(E) Obliczymy wyznaczniki układu (E):

=



2

6

1

3



= 0,

W

x

=



2

7

1

1



6= 0

background image

Nie ma potrzeby by obliczać wartość wyznacznika W

y

, bo = 0, a W

x

6= 0, tzn., że co najmniej

jeden z wyznaczników W

x

W

y

jest różny od 0, zatem zgodnie z Twierdzeniem (1), układ równań

nie ma rozwiązań.
Przykład 6. Rozwiąż układ równań

()

1

x+y+1

+

5

x−y+1

=

2

3

x+y−1

5

x−y+1

=

2.

Rozwiązanie. Do dziedziny tego układu równań należą takie pary (x, y), x, y ∈ R, że y 6=
1 + y 6= 1 − x, tzn. (x, y6= (x, 1 + x) i (x, y6= (x, − x), x ∈ R. Wprowadzimy
pomocnicze niewiadome t. Niech =

1

x+y−1

=

1

x−y+1

, zatem równoważny układ równań,

o niewiadomych przyjmie postać

(

1

u

+

5

t

=

2

3

u

5

t

=

2.

Dodajmy stronami równanie drugie do pierwszego. Otrzymamy

(

1

u

+

5

t

=

2

3

u

5

t

=

2

⇐⇒

(

4

u

=

4

3

u

5

t

=

2

⇐⇒

(

u

=

1

3

u

5

t

=

2

⇐⇒

(

u

=

1

t

=

5.

Para (x, y) jest rozwiązaniem układu () wtedy i tylko wtedy, gdy spełniony będzie następujący
układu równań liniowych:

(

y − 1

=

1

x − y + 1

=

5.

Dodając stronami równanie drugie do pierwszego w tym układzie, otrzymamy układ równoważny:

(

2x

=

6

x − y + 1

=

5.

⇐⇒

(

x

=

3

y

=

1.

Rozwiązaniem układu () jest para liczb: = 3 i 1.

Przykład 7. Rozwiąż układ równań

(G)

(

|x − 1||y − 5= 1
|x − 1| − y

=

5.

Rozwiązanie. Pomnóżmy równanie drugie przez 1 i dodajmy je stronami do równania pierwszego.
Otrzymamy

(

|x − 1|y − 5= 1
|x − 1| − y

=

(1)

⇐⇒

(

|y − 5|

=

6

|x − 1| − y

=

5.

Rozważmy dwa przypadki y ­ 5, y < 5 i zapiszmy odpowiednie układy równoważne.
1

o

Dla y ­ 5, znak wartości bezwzględnej w wyrażeniu |y − 5opuszczamy bez zmiany znaku:

(

y − 5

=

6

|x − 1| − y

=

5

⇐⇒

(

2y

=

11

|x − 1| − y

=

5

⇐⇒

(

y

=

11

2

|x − 15 +

11

2

.

Stąd

(

y

=

11

2

|x − 1=

1
2

.

⇐⇒

(

y

=

11

2

x − 1

=

1
2

lub

(

y

=

11

2

x − 1

=

1
2

background image

Zatem

(

y

=

11

2

x

=

3
2

lub

(

y

=

11

2

x

=

1
2

.

Oczywiście para (x, y) = (

1
2

,

11

2

) spełnia warunek y ­ 5, zatem jest rozwiązaniem układu (G).

Rozważmy drugi przypadek.
2

o

Dla y < 5, znak wartości bezwzględnej w wyrażeniu |y − 5opuszczamy ze zmianą znaku:

(

y − y + 5

=

6

|x − 1| − y

=

5

⇐⇒

(

5

=

6

|x − 1| − y

=

5.

Otrzymany układ jest sprzeczny, zatem dla y < 5 układ (G) nie ma rozwiązań. Podsumowując,
układ (G) ma dwa rozwiązania: (x

1

, y

1

) = (

3
2

,

11

2

), (x

2

, y

2

) = (

1
2

,

11

2

).

Przykład 8. Rozwiąż układ równań w zależności od wartości parametrów a, b ∈ R.

(

ax − by

=

a

2

b

2

y

=

2a

Rozwiązanie. Zastosujemy metodę wyznaczników. Mamy odpowiednio:

=



a

−b

1

1



b,

W

x

=



a

2

b

2

−b

2a

1



= (b)

2

,

W

y

=



a

a

2

b

2

1

2a



a

2

− b

2

.

Korzystając z Twierdzena 1 mamy:
Dla a 6−b układ ma dokładnie jedno rozwiązanie

(

x

=

b

y

=

a − b.

Jeżeli = 0, to −b, zatem = 0, W

x

= 0 i W

y

= 0, czyli dla −b układ ma

nieskończenie wiele rozwiązań.
1

o

Jeśli −b = 0, to układ przyjmuje postać

(

0x − 0y

=

0

y

=

0.

⇐⇒

(

0

=

0

y

=

−x.

Jego rozwiązaniem jest każda para liczb (x, y) = (x, −x), gdzie x ∈ R.

2

o

Jeśli −b, i b 6= 0 (wtedy również a 6= 0) to możemy pierwsze równanie podzielić przez −a

i dodać stronami do drugiego. Otrzymamy

(

ax ay

=

2a

2

y

=

2a.

⇐⇒

(

y

=

2a

0

=

0

Rozwiązaniem tego układu są pary (x, y) = (x, 2a − x), dla dowolnego x ∈ R.

Ten układ równań dla żadnych wartości parametrów anie jest sprzeczny, bo jeśli = 0, to
−b i co za tym idzie W

x

= 0 i W

y

= 0. Podsumowując mamy:

a 6−b

⇒ jedno

rozwiązanie

(x, y) = (b, a − b);

−b

⇒ nieskończenie

wiele

rozwiązań :

= 0

⇒ (x, y) = (x, −x)

−b 6= 0 ⇒ (x, y) = (x, 2a − x).

background image

Przykład 9. Rozwiąż układ równań w zależności od wartości parametrów a, b ∈ \ {0}.

x
a

+

y

b

=

1

x

b

+

y
a

=

1

Rozwiązanie. Raz jeszcze zastosujemy metodę wyznaczników. Mamy odpowiednio:

=



1
a

1

b

1

b

1
a



=

1

a

2

1

b

2

,

W

x

=



1

1

b

1

1
a



=

1
a

1

b

,

W

y

=



1
a

1

1

b

1



=

1
a

1

b

.

Jeśli a 6a 6−b, to układ jest oznaczony, ma jedno rozwiązanie postaci (x, y) =



ab

b+a

,

ab

b+a



.

Jeśli b, to = 0 i W

x

= 0 i W

y

= 0, zatem układ ma nieskończenie wiele rozwiązań postaci

(x, y) = (x, a − x), gdzie x ∈ R.
Jeśli −b, to = 0 i W

x

=

2

a

6= 0, zatem układ jest sprzeczny, nie ma rozwiązań.

Układy równań liniowych z trzema niewiadomymi.

Układy równań liniowych z trzema niewiadomymi rozwiązujemy metodą podstawiania lub przeciwnych
znaków. Można też wprowadzić tu metodę wyznaczników. Jednakże my ograniczymy się do
dwóch pierwszych metod.

Przykład 10. Rozwiąż układ trzech równań liniowych z trzema niewiadomymi

()

x − 8+ 2z

=

8

2+ 3z

=

1

2+ 4y − z

=

9.

Rozwiązanie. Zastosujemy metodę przeciwnych współczynników. Drugie równanie pomnóżmy
przez 4 i dodajmy stronami do równania pierwszego, następnie pomnóżmy je przez 2 i dodajmy
do równania trzeciego.

x − 8+ 2z

=

8

2+ 3z

=

1

2+ 4y − z

=

9

⇐⇒

+ 14z

=

12

2+ 3z

=

1

2x − 7z

=

11

Teraz pomnóżmy pierwsze równanie przez 2 i dodajmy je stronami do równania trzeciego.
Otrzymamy

+ 14z

=

12

2+ 3z

=

1

35z

=

35

⇐⇒

x − 14

=

12

2y − 3

=

1

z

=

1

⇐⇒

x

=

2

y

=

1

z

=

1

Układ równań ma dokładnie jedno rozwiązanie, jest nim trójka liczb (x, y, z) = (21, −1).

Zadania

1. Zapisz bez użycia wartości bezwzględnej |

2||

p

(π − 4)

2

||x

2

+ 1|

2. Korzystając z interpretacji geometrycznej wartości bezwzględnej rozwiąż równanie |x+2=

|x + 4|.

3. Rozwiąż równania

background image

a) |x| x,

b) 3|x − 3= 5,

c) |x − 1|x| |x + 1= 2.

4. Rozwiąż nierówności

a) |

4x+1
2x−3

| > 2,

b) |x

2

− 2x − 3| ­ 0,

c) |3x − 3| ­ − 3x,

d) ||x + 1| − 2| ¬ 0,

e) |x| ||x + 1+ 1| − |x + 4| ¬ 0.

5. Rozwiąż równanie sin x| = sin 2x.

6. Wykaż, że:

a) sin x| cos | ­ 1 dla x ∈ R,

b) |a sin sin x| ¬

a

2

b

2

dla abx ∈ R.

7. Naszkicuj wykresy funkcji (x) = |x| |x + 1|x + 2|g(x) = ||x − 3| − x|.

8. Rozwiąż układy równań metodą wyznaczników i metodą przeciwnych współczynników

(H)

(

x − y = 1
2x − 2= 2,

(I)

(

2x − y = 3 + x
x − y 
= 6

()

(

x − y = 2
2x − 2= 1

9. Rozwiąż układ równań

(K)

(

1
x

+

1
y

= 5

3

x

5
y

9,

10. Bryła mosiądzu (stop miedzi i cynku) waży 67 kg. Ile waży miedź, a ile cynk znajdujące

się w bryle, jeżeli po zanurzeniu w wodzie traci ona (pozornie) na ciężarze 8kg, a ciężary
właściwe miedzi i cynku wynoszą odpowiednio 89 kg dm

3

i 69 kg dm

3

?

Wskazówka: 1 dm

3

wody waży 1 kg.

11. Statek płynie z prądem rzeki z prędkością 18 km/h, a pod prąd z prędkością 14 km/h.

Obliczyć prędkość własną statku i prędkość prądu rzeki.

12. Rozwiąż układy trzech równań z trzema niewiadomymi:

(L)

2x − 3+ 5z

=

11

+ 4y − 7z

=

12

3+ 2+ 8z

=

31

()

5

x

2
y

+

3
z

9
4

2

x

+

3
y

+

1
z

=

5

12

1

x

+

4
y

2
z

=

5
3

13. Rozwiąż układ równań w zależności od wartości parametru m ∈ R.

(

(m − 1)+ 2y

=

1

my

=

1

14. Dla jakich wartości parametru rozwiązaniem układu

(

2+ 8(m

2

+ 1)

=

5

+ 5m

2

y

=

2

jest para liczb dodatnich ?

background image

15. Dla jakich wartości parametru każde rozwiązanie układu

(

my

=

3

mx + 4y

=

6

spełnia warunek x > 1 i y > 0 ?

16. Dla jakich wartości parametru układ

(

(m − 1)+ 3y

=

5

mx − 2y

=

4

nie ma rozwiązań ? Podaj interpretację geometryczną tego układu.

17. Rozwiąż układ równań

(

|x| = 1
x

2

+ (y − 1)

2

= 8.

Podaj interpretację geometryczną tego układu. Oblicz pole i obwód figury, do której należy
początek układu XOY i ograniczonej liniami określonymi równaniami tego układu.

18. Rozwiąż układy równań:

(A)

(

x

2

xy = 10

y

2

xy = 15

(B)

(

x −

= 2

x − 4= 0

(C)

(

4x

3

+ 4xy

2

= 0

4y

3

+ 4yx

2

= 0

19. Dla jakich wartości parametru układ równań

(

(x − 1)

2

+ (+ 1)

2

= 1

(x − 5)

2

+ (y − 2)

2

m

ma więcej niż jedno rozwiązanie?

20. Wyznacz wartości parametru m, dla których układ

(

x

2

y

2

= 9

my

2

− x = 3

ma dokładnie jedno rozwiązanie.

21. Rozwiąż układy:

x ­ −1
y ­ −2
x ¬ 6
+ 3y ¬ 10,

y ­ 1
3y ¬ 3
y − x = 1.

Odpowiedzi
1.

− 1, 4 − πx

2

+ 1;

2. 3;
3. ax ­ 0, b= 2 lub =

14

3

c= 0 ;

4. ax <

5
8

bx ∈ R, cx ∈ (

1
2

; 1) 



3
2



dx ∈ (−∞, −

3
2



ex ∈

h

4
3

; 2

i

;

5. =

π

3

+ 2kπ lub =

4
3

π + 2kπ dla k ∈ Z;

8. (H)- układ nieoznaczony, rozwiązania postaci (x, y) = (x, x − 1), (I) - układ oznaczony,
rozwiązanie (x, y) = (3, −9), ()- układ sprzeczny, brak rozwiązań;
9. =

1
2

=

1
3

;

10. 53kg, 13kg;

background image

11. 16 km/h;
12. (L) - (x, y, z) = (123), ()- (x, y, z) = (63, −4);
13. dla m 61 i m 6= 2 jedno rozwiązanie (x, y) = (

1

m+1

,

1

m+1

), dla 1 brak rozwiązań,

dla = 2 nieskończenie wiele rozwiązań postaci



x,

1−x

2



;

14. m ∈ (

4
3

;

4
3

);

15. m ∈ (2; 2) lub m ∈ (24);
16. =

2
5

;

17. (x, y) = (2, −1) lub (x, y) = (2, −1), = 2π= (4 + π)

2;

18. (A)- (x, y) = (2, −3) lub (x, y) = (23), (B)- (x, y) = (164), (C)- (x, x) lub (x, −x), gdzie
x ∈ R;
19. t ∈ (16; 36);
20. = 0 lub =

1
6

.