Решение уравнений методом введения новой переменной, теория, практика

Метод введения новой переменной предназначен для решения уравнений, имеющих вид f(g(x))=0 или f₁(g(x))=f₂(g(x)), где f, f₁ и f₂ – некоторые функции, а x – неизвестная переменная. Для лучшего восприятия приведем примеры таких уравнений:

• (x²)³−3·x²+2=0, это уравнение имеет вид f(g(x))=0, здесь g(x)=x², а функция f такая, что f(t)=t²−3·t+2;
• , это уравнение вида f₁(g(x))=f₂(g(x)), здесь в качестве g(x) можно рассматривать x²+2·x, тогда функции f₁ и f₂ таковы, что и ;
• , это уравнение, имеющее вид f(g(x))=0, где , а функция f описывается как .

Понятно, что f(g(x))=0 и f₁(g(x))=f₂(g(x)) - равносильные уравнения, так как уравнение f₁(g(x))=f₂(g(x)) приводится к виду f(g(x))=0 при помощи равносильного преобразования, заключающегося в переносе выражения f₂(g(x)) из правой части в левую с противоположным знаком. Поэтому дальнейшую теорию мы будем излагать только для уравнений вида f(g(x))=0, это сделано в угоду краткости без ущерба для общности.

Суть метода введения новой переменной для решения уравнения f(g(x))=0 состоит во введении новой переменной t как g(x)=t с целью нахождения всех корней исходного уравнения через множество решений T уравнения f(t)=0 с новой переменной t и использование равенства g(x)=t. Забегая немного вперед, скажем, что корнями исходного уравнения являются все такие значения x, которые удовлетворяют условию g(x)∈T. В частности,

• если T – пустое множество, то есть, уравнение f(t)=0 не имеет решений, то условие g(x)∈T определяет пустое множество, а это означает, что исходное уравнение не имеет решений;
• если T – конечное множество, то есть, уравнение f(t)=0 имеет n решений t₁, t₂, …, t_n, то условие g(x)∈T есть не что иное, как совокупность уравнений g(x)=t₁, g(x)=t₂, …, g(x)=t_n, а это означает, что решением исходного уравнения является решение совокупности уравнений g(x)=t₁, g(x)=t₂, …, g(x)=t_n.

Поясним на примере. Возьмем уже упомянутое выше уравнение (x²)³−3·x²+2=0. Введение новой переменной x²=t позволяет от исходного уравнения перейти к кубическому уравнению t³−3·t+2=0 с новой переменной (заменяем в исходном уравнении x² на t). Множество решений этого уравнения T (оно в нашем случае состоит из двух чисел t₁=1 и t₂=−2, то есть, T={−2, 1}) и использование равенства x²=t дают возможность определить все корни исходного уравнения. Они определяются по условию x²∈{−2, 1}, которое есть не что иное, как совокупность двух уравнений x²=−2, x²=1.

В основе метода введения новой переменной лежит следующее утверждение:

Приведем обоснование озвученного утверждения в следующем пункте.

К началу страницы

Докажем утверждение, лежащее в основе метода введения новой переменной, которое мы привели в предыдущем пункте. Для этого нужно доказать два момента:

• что любой корень уравнения f(g(x))=0 удовлетворяет условию g(x)∈T, где T – множество всех корней уравнения f(t)=0,
• что любое значение переменной x, удовлетворяющее условию g(x)∈T, где T – множество всех корней уравнения f(t)=0, является корнем уравнения f(g(x))=0.

Начнем с первой части. Пусть x₀ – корень уравнения f(g(x))=0. Докажем, что x₀ удовлетворяет условию g(x)∈T, где T – множество всех корней уравнения f(t)=0.

Так как x₀ – корень уравнения f(g(x))=0, то f(g(x₀))=0 – верное числовое равенство. Из этого равенства следует, что g(x₀) – корень уравнения f(t)=0. А из этого следует, что g(x₀) принадлежит множеству всех корней уравнения f(t)=0.

Первая часть доказана. Переходим к доказательству второй части утверждения.

Пусть x₀ удовлетворяет условию g(x)∈T, где T – множество всех корней уравнения f(t)=0. Докажем, что x₀ является корнем уравнения f(g(x))=0.

Так как x₀ удовлетворяет условию g(x)∈T, то g(x₀)∈T, то есть, g(x₀) – это один из корней уравнения f(t)=0. Значит, f(g(x₀))=0 – верное числовое равенство. А из этого равенства следует, что x₀ – корень уравнения f(g(x))=0.

Так доказана вторая часть утверждения и все утверждение в целом.

К началу страницы

Приведенная выше информация позволяет записать алгоритм решения уравнения f(g(x))=0 методом введения новой переменной:

• Вводится новая переменная t как g(x)=t, и осуществляется переход от исходного уравнения f(g(x))=0 со старой переменной x к уравнению f(t)=0 с новой переменной t.
• Решается полученное уравнение с новой переменной. При этом
  • если оно не имеет корней, то делается вывод об отсутствии корней у исходного уравнения,
  • если уравнение имеет корни, то выполняются следующие шаги алгоритма.
• Осуществляется возврат к старой переменной. Для этого
  • если решенное на предыдущем шаге уравнение имеет единственный корень, обозначим его t₁, то составляется уравнение g(x)=t₁,
  • если решенное на предыдущем шаге уравнение имеет два, три или любое другое, но конечное число корней, обозначим их t₁, t₂, …, t_n, то составляется совокупность уравнений g(x)=t₁, g(x)=t₂, …, g(x)=t_n,
  • если же решенное на предыдущем шаге уравнение имеет бесконечно много корней, и они составляют числовое множество T, то составляется совокупность уравнений, неравенств и двойных неравенств, отвечающая выражению g(x)∈T (например, если решением уравнения с новой переменной t является числовое множество (−∞, t₁)∪{t₂}∪[t₃, t₄), что то же самое , то соответствующая совокупность будет иметь вид ).
• Наконец, решается составленное уравнение или совокупность – ее решение есть искомое решение исходного уравнения.

К началу страницы

Обычно первое знакомство с методом введения новой переменной происходит в школе в рамках темы «решение рациональных уравнений». В частности, рациональными являются биквадратные уравнения, стандартным методом решения которых как раз является метод введения новой переменной. Для примера приведем краткое решение методом введения новой переменной биквадратного уравнения x⁴−3·x²+5=0. После представления его в виде (x²)²−3·x²+5=0, вводим новую переменную x²=t, это позволяет перейти к квадратному уравнению с новой переменной: t²−3·t+5=0. Оно не имеет действительных корней, так как его дискриминант D=(−3)²−4·1·5=−11 – отрицательный, откуда заключаем, что исходное уравнение не имеет корней.

Среди рациональных уравнений масса и других типичных представителей, решающихся методом введения новой переменной. Такими, во-первых, являются уравнения, в которых переменная фигурирует только в одинаковых квадратных двучленах, например (x²−5·x+4)·(x²−5·x+6)=120, (x²+5)²−11·(x²+5)+28=0, . Во-вторых, через введение новой переменной решаются уравнения, в которых переменная находится только во взаимно обратных дробях, например, , здесь одна из дробей принимается за t, а другая, очевидно, выражается через t как 1/t, ведь на ОДЗ для данного уравнения . В-третьих, упомянем про возвратные уравнения, которые тоже решаются методом введения новой переменной, а именно . Решения подобных уравнений Вы без труда найдете в статье, упомянутой в первом предложении этого пункта, а также на страницах школьных учебников, например, [1, c. 74-75, 80; 2, с. 150-152; 3, с. 213-216].

Продвигаясь дальше в школьном курсе математики по пути знакомства с уравнениями, нам встречаются иррациональные, тригонометрические, показательные, логарифмические и другие уравнения, и каждый раз мы возвращаемся к методу введения новой переменной для их решения. Для уравнений каждого вида есть свои особенности в плане введения новой переменной. Рекомендуем ознакомиться с ними в следующих материалах:

• решение иррациональных уравнений методом введения новой переменной,
• метод введения новой переменной при решении показательных уравнений,
• решение показательных уравнений методом введения новой переменной,
• решение тригонометрических уравнений методом введения новой переменной.

В заключение покажем пример решения уравнения, которое после введения новой переменной имеет бесконечное множество решений. Подобные случаи встречаются крайне редко, и тем они еще более интересны. В них главное разобраться с особенностями возврата к старой переменной.