Ruutvõrrand

Ruutvõrrand on algebraline võrrand üldkujuga

Ruutvõrrandi lahendid on ruutfunktsiooni nullkohad

$ax^{2}+bx+c=0$,

kus $x$ on tundmatu ning $a$, $b$ ja $c$ on arvud, kusjuures $a\not =0$.

Ruutvõrrandi lahendivalem on

$x_{1,2}={\frac {-b\pm {\sqrt {b^{2}-4ac}}}{2a}}$.

Reaalarvuliste kordajatega ruutvõrrandil on reaalarvude hulgas alati kas kaks erinevat, kaks kokkulangevat või mitte ühtegi lahendit. Geomeetrilises tõlgenduses asuvad ruutvõrrandi lahendid kohtadel, kus ruutfunktsiooni $y=ax^{2}+bx+c$ graafik lõikab $x$-telge.

Definitsioon

Ruutvõrrand on võrrand kujul

$ax^{2}+bx+c=0$,

kus $x$ on tundmatu ehk otsitav ning $a$, $b$ ja $c$ on antud arvud, kusjuures $a\not =0$. Võrrandi vasaku poole avaldises on $ax^{2}$ ruutliige ehk pealiige, $bx$ lineaarliige ja $c$ vabaliige. Arvud $a$, $b$ ja $c$ on ruutvõrrandi kordajad, sealhulgas $a$ on ruutliikme kordaja ja $b$ lineaarliikme kordaja.

Näiteks $3x^{2}-2x+1=0$ on ruutvõrrand, kus $a=3$, $b=-2$ ja $c=1$.

Taandatud ruutvõrrand on ruutvõrrand, mille ruutliikme kordaja on $1$. Taandatud ruutvõrrandi kuju on

$x^{2}+px+q=0$.

Iga ruutvõrrandi saab teisendada samaväärseks taandatud ruutvõrrandiks, jagades võrrandi pooled läbi ruutliikme kordajaga. Et ruutliikme kordaja erineb nullist, siis on see alati võimalik. Ruutvõrrandit, mille ruutliikme kordaja ei ole $1$, nimetatakse taandamata ruutvõrrandiks.

Näiteks $x^{2}-3x-2=0$ on taandatud ruutvõrrand, seevastu $-x^{2}+x+1=0$ on taandamata ruutvõrrand, sest selles on ruutliikme kordaja $-1$.

Täielik ruutvõrrand on ruutvõrrand, mille kõik kordajad on nullist erinevad. Mittetäielik ruutvõrrand on ruutvõrrand, mille mõni kordaja on null. Mittetäielikus ruutvõrrandis võib null olla kas lineaarliikme kordaja, vabaliikme kordaja või mõlemad. Vastavalt sellele on mittetäielikul ruutvõrrandil kolm võimalikku kuju: $ax^{2}+c=0$, $ax^{2}+bx=0$ või $ax^{2}=0$.

Ruutvõrrandi lahend on tundmatu $x$ iga selline väärtus, millega tundmatut väärtustades võrrand kehtib. Näiteks ruutvõrrandi $x^{2}-x-6=0$ lahend on $x=3$, sest $3^{2}-3-6=0$. Samuti on selle ruutvõrrandi lahend $x=-2$, sest $(-2)^{2}-(-2)-6=0$.

Ruutvõrrand on teist järku algebraline võrrand, mis tähendab, et võrrandi vasak pool on polünoom, mille aste on $2$. Seda polünoomi nimetatakse ka ruutpolünoomiks ehk ruutkolmliikmeks.

Lahendivalem

Üldkujuline ruutvõrrand

Üldkujulise ruutvõrrandi $ax^{2}+bx+c=0$ lahendid saab leida valemist

$x={\frac {-b\pm {\sqrt {b^{2}-4ac}}}{2a}}$.

See valem annab kaks lahendit $x_{1}$ ja $x_{2}$, millest ühe arvutamisel valitakse valemi lugejas märk $+$, teise arvutamisel aga $-$.

Näiteks ruutvõrrandi $2x^{2}+5x-3=0$ lahendid on

$x_{1,2}={\frac {-5\pm {\sqrt {5^{2}-4\cdot 2\cdot (-3)}}}{2\cdot 2}}={\frac {-5\pm 7}{4}}$,

seega $x_{1}={\frac {-5+7}{4}}={\frac {1}{2}}$ ja $x_{2}={\frac {-5-7}{4}}=-3$.

Lahendivalemi tuletamiseks lähtume võrdusest

$ax^{2}+bx+c=0$.

Viime $c$ paremale poole:

$ax^{2}+bx=-c$.

Korrutame pooli suurusega $4a$:

$4a^{2}x^{2}+4abx=-4ac$.

Liidame mõlemale poolele $b^{2}$:

$4a^{2}x^{2}+4abx+b^{2}=b^{2}-4ac$.

Vasaku poole saame nüüd kirjutada täisruuduna:

$(2ax+b)^{2}=b^{2}-4ac$.

Järelikult

$2ax+b=\pm {\sqrt {b^{2}-4ac}}$,

millest avaldame otsitava $x$:

$x={\frac {-b\pm {\sqrt {b^{2}-4ac}}}{2a}}$.

Taandatud ruutvõrrand

Taandatud ruutvõrrandi $x^{2}+px+q=0$ lahendid saab leida valemist

$x_{1,2}=-{\frac {p}{2}}\pm {\sqrt {\left({\frac {p}{2}}\right)^{2}-q}}$.

Näiteks võrrandi $x^{2}+2x-8=0$ lahendid on

$x_{1,2}=-1\pm {\sqrt {1^{2}-(-8)}}=-1\pm 3$,

millest $x_{1}=2$ ja $x_{2}=-4$.

Taandatud ruutvõrrandi lahendivalem järeldub vahetult üldkujulise ruutvõrrandi lahendivalemist, kui seal panna $a$, $b$ ja $c$ asemele vastavalt taandatud ruutvõrrandi kordajad $1$, $p$ ja $q$ ning viia nimetaja $2$ juuremärgi alla.

Diskriminant

Ruutfunktsiooni graafiku lõikumine $x$-teljega sõltuvalt diskriminandi märgist

Ruutvõrrandi $ax^{2}+bx+c=0$ lahendivalemis ruutjuure märgi all olevat avaldist

$D=b^{2}-4ac$

nimetatakse selle ruutvõrrandi diskriminandiks.

Reaalarvuliste kordajatega ruutvõrrandi erinevate reaalarvuliste lahendite arv sõltub diskriminandi märgist.

• Kui $D>0$, siis on võrrandil kaks erinevat reaalarvulist lahendit $x_{1}={\frac {-b+{\sqrt {D}}}{2a}}$ ja $x_{1}={\frac {-b-{\sqrt {D}}}{2a}}$.
• Kui $D=0$, siis on võrrandil kaks kokkulangevat reaalarvulist lahendit $x_{1}=x_{2}=-{\frac {b}{2a}}$.
• Kui $D<0$, siis võrrandil reaalarvulisi lahendeid ei ole.

Diskriminandi märgi järgi saab kindlaks teha reaalarvuliste kordajatega ruutvõrrandi reaalarvuliste lahendite arvu ilma võrrandit lahendamata. Näiteks võrrandil $2x^{2}-6x+5=0$ puuduvad reaalarvulised lahendid, sest $D=(-6)^{2}-4\cdot 2\cdot 5=-4<0$. Ruutvõrrandil leidub reaalarvulisi lahendeid kindlasti siis, kui $a$ ja $c$ on erineva märgiga, sest sel juhul on diskriminant kindlasti positiivne.

Geomeetriliselt vastavad ruutvõrrandi lahenditele ruutfunktsiooni lõikepunktid $x$-teljega. Kui ruutvõrrandi diskriminant on positiivne, siis lõikab ruutfunktsiooni $y=ax^{2}+bx+c$ graafik $x$-telge kahes erinevas punktis, nulliga võrduva diskriminandi puhul puutub graafik $x$-telge ühes punktis ning negatiivse diskriminandi puhul graafikul lõikepunkte $x$-teljega pole.

Ruutkolmliikme tegurdatud kuju

Arv $x_{*}$ on ruutvõrrandi $ax^{2}+bx+c=0$ lahend parajasti siis, kui avaldis $x-x_{*}$ on avaldise $ax^{2}+bx+c$ tegur. Siit järeldub, et kui $x_{1}$ ja $x_{2}$ on ruutvõrrandi $ax^{2}+bx+c=0$ lahendid, siis esitub ruutkolmliige lineaartegurite korrutisena

$ax^{2}+bx+c=a(x-x_{1})(x-x_{2})$.

Kui ruutvõrrand on taandatud, siis on sellel võrdusel kuju

$x^{2}+px+q=(x-x_{1})(x-x_{2})$.

Need võrdused kehtivad ka juhul $x_{1}=x_{2}$.

Kui on teada ruutkolmliikme tegurdatud kuju, siis saab sellest otse välja lugeda ruutvõrrandi lahendid. Näiteks teades, et $x^{2}+5x+4=(x+4)(x+1)$, võime järeldada, et ruutvõrrandi $x^{2}+5x+4=0$ lahendid on $x_{1}=-4$ ja $x_{2}=-1$.

Viète'i valemid

Üldkujulise ruutvõrrandi $ax^{2}+bx+c=0$ lahendid $x_{1}$ ja $x_{2}$ rahuldavad võrdusi

$x_{1}+x_{2}=-{\frac {b}{a}}$,

$x_{1}x_{2}={\frac {c}{a}}$.

Taandatud ruutvõrrandi $x^{2}+px+q=0$ lahendid $x_{1}$ ja $x_{2}$ rahuldavad võrdusi

$x_{1}+x_{2}=-p$,

$x_{1}x_{2}=q$.

Need valemid avastas 16. sajandil prantsuse matemaatik François Viète, kelle järgi nad on ka nime saanud.

Kehtib ka vastupidine: kui $x_{1}$ ja $x_{2}$ rahuldavad nimetatud võrdusi, siis on need arvud vastava ruutvõrrandi lahendid.

Viète'i valemid järelduvad vahetult ruutpolünoomi esitusest lineaartegurite korrutisena, kui seal sulud lahti korrutada. Nimelt, kui $x_{1}$ ja $x_{2}$ on ruutvõrrandi lahendid, siis

$ax^{2}+bx+c=a(x-x_{1})(x-x_{2})=ax^{2}-a(x_{1}+x_{2})x+ax_{1}x_{2}$.

Et kaks polünoomi on võrdsed parajasti siis, kui vastavate liikmete kordajad on võrdsed, siis saame esimeses ja viimases avaldises lineaarliikmeid ja vabaliikmeid võrreldes seosed $b=-a(x_{1}+x_{2})$ ja $c=ax_{1}x_{2}$. Nendest tulenevad Viète'i valemid üldkujulise ruutvõrrandi jaoks. Viète'i valemid taandatud ruutvõrrandi jaoks saame erijuhul $a=1$, $b=p$, $c=q$.

Praktikas võimaldavad Viète'i valemid ruutvõrrandi lahendite õigsust kontrollida. Samuti aitavad nad mõnel juhul võrrandit peast lahendada. Näiteks ruutvõrrandi $x^{2}-8x+12=0$ lahendamisel on vaja leida arvud $x_{1}$ ja $x_{2}$, mille puhul $x_{1}+x_{2}=8$ ja $x_{1}x_{2}=12$. Need arvud on $x_{1}=2$ ja $x_{2}=6$.

Viète'i valemite abil saab lihtsasti leida ruutfunktsiooni $y=ax^{2}+bx+c$ graafiku haripunkti. Et graafik on sümmeetriline haripunkti läbiva vertikaalsirge suhtes, siis on haripunkti $x$-koordinaat ruutvõrrandi lahendite aritmeetiline keskmine:

$x_{H}={\frac {x_{1}+x_{2}}{2}}=-{\frac {b}{2a}}$.

Haripunkti $y$-koordinaadi saame seejärel arvutada ruutfunktsiooni väärtusena leitud argumendil:

$y_{H}=a\left(-{\frac {b}{2a}}\right)^{2}+b\left(-{\frac {b}{2a}}\right)+c=c-{\frac {b^{2}}{4a}}$.

Viimaste valemite lõppkujud kehtivad olenemata sellest, mitu reaalarvulist lahendit ruutvõrrandil on. Haripunkti koordinaatide teadmine on mõnikord kasulik ruutfunktsiooni graafiku joonestamisel.

Viète'i valemeid saab üldistada ükskõik millise astmega polünoomi juhule.

Kompleksarvulised lahendid

Kui reaalarvuliste kordajatega ruutvõrrandi diskriminant $D$ on negatiivne, siis võrrandil puuduvad reaalarvulised lahendid, aga on olemas kompleksarvulised lahendid. Kui $D<0$, siis ruutvõrrandi lahendivalemis on ${\sqrt {D}}=i{\sqrt {-D}}$, kus $i$ on imaginaarühik, ning üldkujulise ruutvõrrandi lahendid avalduvad valemiga

$x_{1,2}={\frac {-b\pm i{\sqrt {-D}}}{2a}}$.

Need lahendid on teineteise kaaskompleksid.

Näiteks võrrandi $4x^{2}-4x+5=0$ puhul on $D=(-4)^{2}-4\cdot 4\cdot 5=-64$. Võrrandi lahendid on seega

$x_{1,2}={\frac {4\pm i{\sqrt {64}}}{2\cdot 4}}={\frac {1}{2}}\pm i$.

Lahendite järgi saab vasaku poole esitada lineaartegurite korrutisena, ülaltoodud näites

$4x^{2}-4x+5=4{\Bigl (}x-{\frac {1}{2}}-i{\Bigr )}{\Bigl (}x-{\frac {1}{2}}+i{\Bigr )}=(2x-1-2i)(2x-1+2i)$.

Lahendamismeetodid

Kuigi iga ruutvõrrandit saab lahendada lahendivalemi abil, on teinekord otstarbekam kasutada mõnda muud meetodit, mis nõuab vähem arvutustööd.

Erikujulised võrrandid

Mittetäieliku ruutvõrrandi lahendeid on võimalik leida võrrandi teisendamise teel.

• Võrrandi $ax^{2}+c=0$ viime kujule $ax^{2}=-c$, millest $x^{2}=-{\frac {c}{a}}$. Järelikult võrrandi lahendid on $x_{1}={\sqrt {-{\frac {c}{a}}}}$ ja $x_{2}=-{\sqrt {-{\frac {c}{a}}}}$.
• Võrrandi $ax^{2}+bx=0$ viime kujule $x(ax+b)=0$. Järelikult võrrandi lahendid on $x_{1}=0$ ja $x_{2}=-{\frac {b}{a}}$.
• Võrrandi $ax^{2}=0$ lahendid on $x_{1}=x_{2}=0$.

Mõnikord kehtib võrrandi $ax^{2}+bx+c=0$ kordajate vahel seos, mille alusel saab võrrandi lahendid otse välja kirjutada. Levinuimad nendest seostest on järgmised.

• Võrrandi kordajate summa on null. Sellise võrrandi lahendiks on $x_{1}=1$, sest asetades selle võrrandisse, saame võrduse $a+b+c=0$. Teine lahend on Viète'i valemite põhjal $x_{2}={\frac {c}{a}}$. Seega võrrandi $x^{2}+4x-5=0$ lahendid on $x_{1}=1$ ja $x_{2}=-5$, võrrandi $3x^{2}-5x+2=0$ lahendid aga $x_{1}=1$ ja $x_{2}={\frac {2}{3}}$.
• Võrrandi lineaarliikme kordaja võrdub kahe ülejäänud kordaja summaga. Sellise võrrandi lahendiks on $x_{1}=-1$, sest asetades selle võrrandisse, saame $a-b+c=0$ ehk $b=a+c$. Teine lahend on Viète'i valemite põhjal $x_{2}=-{\frac {c}{a}}$. Näiteks võrrandi $5x^{2}-2x-7=0$ lahendid on $x_{1}=-1$ ja $x_{2}={\frac {7}{5}}$.

Viimaseid seoseid saab üldistada ka kõrgemat järku võrranditele.

Ruutkolmliikme tegurdamine

Vaatleme kõigepealt taandatud ruutvõrrandit $x^{2}+px+q=0$. Tegurdamismeetodi puhul püütakse lahutada võrrandi vasak pool lineaartegurite korrutiseks ja viia võrrand kujule $(x+m)(x+n)=0$. Et kahe arvu korrutis on null parajasti siis, kui vähemalt üks tegur on null, peab olema $x+m=0$ või $x+n=0$. Seega üks lahend on $x_{1}=-m$ ja teine lahend $x_{2}=-n$.

Näiteks ruutvõrrandi $x^{2}+2x-8=0$ lahendamiseks lahutame vasaku poole teguriteks: $(x-2)(x+4)=0$. Siit saame võrrandi lahendid $x_{1}=2$ ja $x_{2}=-4$.

Sobivat teguriteks lahutust aitab otsida asjaolu, et arvude $m$ ja $n$ summa võrdub arvuga $p$ ja korrutis arvuga $q$. Seda näeme sulge avades: $(x+m)(x+n)=x^{2}+(m+n)x+mn$.

Tegurdamismeetodit kasutatakse valdavalt olukorras, kus võrrandi kordajad $p$ ja $q$ on täisarvud. Kui täisarvuliste kordajatega taandatud ruutvõrrandil leidub lahendeid ratsionaalarvude seas, siis on need lahendid samuti täisarvud. Seega võime sobivate $m$ ja $n$ leidmiseks lahutada võrrandi vabaliikme $q$ kõikvõimalikel viisidel kahe täisarvu korrutiseks ja kontrollida, kas nende arvude summa on $p$. Näiteks võrrandi $x^{2}+2x-8=0$ puhul vaatame läbi arvu $-8$ teguriteks lahutused $1\cdot (-8)$, $2\cdot (-4)$ jne, kuni leiame lahutuse $(-2)\cdot 4$, mille tegurite summa on $2$. Kui ükski variant vajalikku summat ei anna, siis võrrandil täisarvulisi ega üldse ratsionaalarvulisi lahendeid ei ole. Sel juhul on võrrandi lahendid irratsionaalarvud (või kompleksarvud).

Üldkujulise ruutvõrrandi $ax^{2}+bx+c=0$ lahendamiseks püütakse võrrand esitada kujul $(kx+m)(lx+n)=0$. Siit $kx+m=0$ või $lx+n=0$. Ruutvõrrandi lahendid on $x_{1}=-{\frac {m}{k}}$ ja $x_{2}=-{\frac {n}{l}}$.

Üldkujulise ruutvõrrandi saab teisendada tegurdamiseks sobivamaks taandatud ruutvõrrandiks kordaja üleviimise võttega. Lähtume võrrandist

$ax^{2}+bx+c=0$

ja korrutame mõlemat poolt ruutliikme kordajaga $a$:

$a^{2}x^{2}+abx+ac=0$.

Toome sisse uue muutuja $y=ax$ ning kirjutame võrrandi taandatud ruutvõrrandina

$y^{2}+by+ac=0$.

Saadud ruutvõrrand erineb esialgsest võrrandist ainult selle poolest, et ruutliikme kordaja $a$ on üle läinud vabaliikmesse. Selle võrrandi lahendamisel saame lahendid $y_{1}$ ja $y_{2}$. Lähtevõrrandi lahendid on $x_{1}={\frac {y_{1}}{a}}$ ja $x_{2}={\frac {y_{2}}{a}}$.

Arvu $-24$ kõik lahutused täisarvude korrutiseks, kus tegurite järjekord pole oluline

Kui lähtevõrrandi kordajad $a$, $b$ ja $c$ on täisarvud, siis on ka saadud taandatud ruutvõrrandi kordajad täisarvud. Seetõttu piisab täisarvuliste lahendite leidmiseks vaadelda arvu $ac$ teguriteks lahutusi. Kui lähtevõrrandi kordajad on ratsionaalarvud, siis saame need teisendada täisarvudeks, korrutades võrrandi pooli kordajate nimetajate vähima ühiskordsega.

Lahendame näiteks võrrandi $4x^{2}-5x-6=0$. Kirjutame võrrandi uue tundmatu $y=4x$ kaudu: $y^{2}-5y-24=0$. Vaatleme vabaliikme $-24$ teguriteks lahutusi ja proovime leida sellise lahutuse, kus tegurite summa on $5$. Näeme, et $1\cdot (-24)$ ei sobi, $2\cdot (-12)$ ei sobi, aga $3\cdot (-8)$ sobib. Järelikult $y^{2}-5y-24=(y+3)(y-8)$. Seega uue võrrandi lahendid on $y_{1}=-3$ ja $y_{2}=8$ ning esialgse võrrandi lahendid $x_{1}={\frac {y_{1}}{4}}=-{\frac {3}{4}}$ ja $x_{2}={\frac {y_{2}}{4}}=2$.

Tegurdamismeetod ei nõua ruutjuure arvutamist, kuid võimaldab efektiivselt lahendada ainult piiratud hulka võrrandeid.

Täisruuduks täiendamine

Täisruuduks täiendamise meetodi idee on haarata ruutvõrrandi ruutliige ja lineaarliige täisruuduks teiseneva avaldise koosseisu, kasutades ära summa ruudu valemit $a^{2}+2ab+b^{2}=(a+b)^{2}$. Sellega saadakse võrrand, mis sisaldab tundmatut ainult üks kord ning seda on võimalik otseste teisendustega avaldada.

Avaldise $x^{2}+px$ täiendamiseks täisruuduks tuleb talle liita $\textstyle ({\frac {p}{2}})^{2}$

Taandatud ruutvõrrandi $x^{2}+px+q=0$ lahendamiseks rakendame järgmisi samme.

1. Viime vabaliikme paremale poole.
2. Liidame võrrandi mõlemale poolele sellise arvu, et vasakule jääks avaldis kujul $x^{2}+2mx+m^{2}$. Et peab kehtima $2m=p$, siis liidetav arv on $m^{2}=\left({\frac {p}{2}}\right)^{2}$.
3. Kirjutame vasaku poole kujul $(x+m)^{2}$.
4. Leiame mõlemast poolest ruutjuure ja avaldame $x$.

Illustreerime seda lahendamiskäiku võrrandi $x^{2}+6x-3=0$ puhul. Kirjutame võrrandi kujul

$x^{2}+6x=3$.

Vasak pool on täisruudu avaldise algus. Et lineaarliikme kordaja $6$ peab olema $2m$, siis $m=3$. Järelikult $m^{2}=9$. Liidame selle mõlemale poolele:

$x^{2}+6x+9=12$.

Vasaku poole saame esitada täisruuduna:

$(x+3)^{2}=12$.

Järelikult

$x+3={\sqrt {12}}=\pm 2{\sqrt {3}}$.

Seega $x=-3\pm 2{\sqrt {3}}$ ehk $x_{1}=-3+2{\sqrt {3}}$ ja $x_{2}=-3-2{\sqrt {3}}$.

Avaldis $(x+p)x$ esitub ruutude vahena $\textstyle (x+{\frac {p}{2}})^{2}-({\frac {p}{2}})^{2}$.

Täisruuduks täiendamise meetodil on ka teine variant, mille puhul viime kõigepealt vabaliikme paremale poolele ja võtame vasakul ühise teguri $x$ sulgude taha: $(x+p)x=-q$. Nüüd avaldame vasakul teguri $x+p$ avaldiste $x+{\frac {p}{2}}$ ja ${\frac {p}{2}}$ summana, teguri $x$ aga nende vahena. Seejärel kasutame ruutude vahe valemit $(a+b)(a-b)=a^{2}-b^{2}$. Nii tekib jällegi võrrand, kust $x$ on vahetult leitav.

Näiteks võrrandi $x^{2}+6x-3=0$ viime kujule

$(x+6)x=3$.

Vasakul esitame $x+6=(x+3)+3$ ja $x=(x+3)-3$. Järelikult

${\bigl (}(x+3)+3{\bigr )}{\bigl (}(x+3)-3{\bigr )}=3$.

Ruutude vahe valemi põhjal saame

$(x+3)^{2}-3^{2}=3$.

Seega $(x+3)^{2}=12$, millest $x+3=\pm 2{\sqrt {3}}$ ning $x_{1,2}=-3\pm 2{\sqrt {3}}$.

Üldkujulise ruutvõrrandi $ax^{2}+bx+c=0$ saab ruutliikme kordajaga jagamise teel teisendada taandatud ruutvõrrandiks $x^{2}+{\frac {b}{a}}x+{\frac {c}{a}}=0$. Seejärel võime rakendada eelnevas esitatud võtteid. Teine võimalus on korrutada üldkujulise ruutvõrrandi pooli ruutliikme kordajaga $a$ ning ülaltooduga analoogiliste sammude abil tekitada vasakule poolele avaldis $(ax+m)^{2}=a^{2}x^{2}+2amx+m^{2}$.

Täisruuduks täiendamise meetod võimaldab lahendada ükskõik millist ruutvõrrandit. Selle abil saab tuletada ka ruutvõrrandi lahendivalemit.

Lahendivalemi kasutamine

Ruutvõrrandi lahendivalemi

$x_{1,2}={\frac {-b\pm {\sqrt {b^{2}-4ac}}}{2a}}$

kasutamine on universaalne meetod ruutvõrrandi lahendite leidmiseks ja seda saab rakendada seal, kus teised meetodid tulemust ei anna (näiteks ruutkolmliige pole täisarvudes tegurdatav) või nõuavad liiga palju tööd (näiteks võrrandi kordajad on murdarvud). Samuti kasutatakse lahendivalemit siis, kui ruutvõrrandi lahendamist on vaja programmeerida.

Peale tavapärase valemi on olemas veel ka teine lahendivalem

$x_{1,2}={\frac {2c}{-b\pm {\sqrt {b^{2}-4ac}}}}$,

mis järeldub esimesest Viète'i valemite abil: ruutvõrrandi lahendid $x_{1}$ ja $x_{2}$ saab avaldada ka vastavalt kujul ${\frac {c}{ax_{2}}}$ ja ${\frac {c}{ax_{1}}}$. Teise lahendivalemi eelis on see, et juhul $a=0$, $b\not =0$, kui ruutvõrrand muutub lineaarvõrrandiks, saame üheks lahendiks selle lineaarvõrrandi lahendi, samas kui tavapärane valem annab sellisel juhul nulliga jagamise. Teise lahendivalemi puudus on see, et ta ei võimalda arvutada ühte lahendit ruutvõrrandite puhul, kus $c=0$.

Teist lahendivalemit kasutatakse mõnede arvutusmeetodite koosseisus, mis peavad arvestama, et lahendatava ruutvõrrandi ruutliikme kordaja võib olla võrrandi ülejäänud kordajatega võrreldes absoluutväärtuselt väga väike või lausa null. Üks selline on näiteks Mulleri meetod.

Geomeetriline lahendamine

Geomeetriline lahendamine tähendab ruutvõrrandi lahendite konstrueerimist sirkli ja joonlaua abil. Jagades vajadusel ruutvõrrandi läbi ruutliikme kordajaga, võime eeldada, et võrrandi ruutliikme kordaja on $1$.

Geomeetriliste meetodite seas on keskne roll meetodil, millega saab leida antud arvu ruutjuurt, see tähendab, lahendada võrrandit $x^{2}=q$, kus $q$ on positiivne arv. Järgnev konstruktsioon on esitatud Eukleidese peateose Elemendid II raamatu 14. lauses.

Ruutjuure geomeetriline leidmine

Tõmbame lõigu $AB$ pikkusega $q$. Pikendame seda üle punkti $B$ punktini $C$ nii, et lõigu $BC$ pikkus oleks $1$. Konstrueerime poolringjoone, mille diameetriks on $AC$. Tõmbame lõigule $AC$ punktist $B$ ristsirge. Olgu $D$ selle ristsirge lõikepunkt poolringjoonega. Siis lõigu $BD$ pikkus on ${\sqrt {q}}$.

See järeldub kolmnurkade $BDC$ ja $BAD$ sarnasusest: kehtib seos $BD:BC=BA:BD$, millest $BD={\sqrt {q}}$.

Meetodites, mis ei kasuta koordinaatsüsteemi, eeldatakse tavaliselt, et võrrandi kordajad ja lahendid on teatavate lõikude pikkused. Seetõttu peab lahendatav võrrand olema esitatav kujul, kus kõik kordajad on positiivsed, samuti vähemalt üks lahend. Täielikke taandatud ruutvõrrandeid, mis neid tingimusi rahuldavad, on kolme tüüpi: $x^{2}+q=px$, $x^{2}+px=q$ ja $x^{2}=px+q$. Viète'i valemite põhjal on neist esimesel ruutvõrrandil kaks positiivset lahendit, teisel ja kolmandal aga üks positiivne ja üks negatiivne lahend. Seejuures on teise ruutvõrrandi lahendid kolmanda võrrandi lahendite vastandarvud.

Võrrandi $x^{2}+q=px$ lahendamiseks tõmbame lõigu $AB$ pikkusega $p$. Konstrueerime ringjoone, mille diameeter on $AB$. Tõmbame punktist $A$ lõigule $AB$ ristlõigu $AC$ pikkusega ${\sqrt {q}}$ ja punktist $C$ kiire risti lõiguga $AC$. Olgu $D$ ja $E$ selle kiire lõikepunktid ringjoonega. Võrrandi lahendid on lõigu $CD$ pikkus ja lõigu $CE$ pikkus.

Võrrandite $x^{2}+px=q$ ja $x^{2}=px+q$ lahendamiseks järgime sama protseduuri kuni punkti $C$ konstrueerimiseni. Seejärel tõmbame punktist $C$ kiire läbi ringjoone keskpunkti $O$. Olgu $D$ ja $E$ vastavalt selle kiire esimene ja teine lõikepunkt ringjoonega. Võrrandi $x^{2}+px=q$ positiivne lahend on lõigu $CD$ pikkus ja võrrandi $x^{2}=px+q$ positiivne lahend lõigu $CE$ pikkus.

Ruutvõrrandi $x^{2}+q=px$ lahendite leidmine geomeetrilise konstruktsiooni abil

Ruutvõrrandite $x^{2}+px=q$ ja $x^{2}=px+q$ lahendite leidmine

Esimese konstruktsiooni puhul rahuldavad $CD$ ja $CE$ Viète'i valemeid $CD\cdot CE=CA^{2}=q$ ja $CD+CE=AB=p$. Teise konstruktsiooni puhul järeldub võrdusest $CD\cdot CE=CA^{2}$ kas $CD\cdot (CD+p)=q$ või $CE\cdot (CE-p)=q$, mis on samaväärsed vastavate ruutvõrranditega.

Carlyle'i ringjoon võrrandi $x^{2}+px+q=0$ lahendamiseks

Koordinaatsüsteemi kasutamisel on võimalik lahendada ka negatiivsete kordajatega või negatiivsete lahenditega ruutvõrrandeid. Üks selline meetod on Carlyle'i ringjoon. Eeldame, et lahendatav võrrand on kujul $x^{2}+px+q=0$. Märgime koordinaattasandil kaks punkti koordinaatidega $(0,1)$ ja $(-p,q)$. Tõmbame ringjoone, mille diameetri otspunktideks on need kaks punkti. Kui see ringjoon lõikab $x$-telge, siis on ruutvõrrandi lahenditeks lõikepunktide abstsissid.

Selle ringjoone võrrand on $x^{2}+px+y^{2}-(q+1)y+q=0$. Et ringjoone lõikepunktides $x$-teljega on $y=0$, siis lõikepunktide $x$-koordinaadid rahuldavad võrrandit $x^{2}+px+q=0$.

Carlyle'i ringjoonel on ka omadus, et punktid $(x_{1},0)$, $(x_{2},0)$, $(-p,q)$ ja $(0,q)$ asuvad korraga nii ringjoonel kui ka funktsiooni $y=x^{2}+px+q$ graafikul.

Geomeetrilised meetodid olid ruutvõrrandi lahendamisel tavalised kuni keskajani, mil võimsamad ja üldisemad algebralised meetodid nad asendasid.

Vaata ka

• Biruutvõrrand
• Ruutpolünoom
• Ruutvorm