Tässä luvussa tutustutaan neliöjuureen ja opetellaan ratkaisemaan vaillinainen toisen asteen yhtälö. Introtehtävän ratkaisussa muodostettiin jo vaillinainen toisen asteen yhtälö. Tehtävässä muodostettu toisen asteen yhtälö ratkaistiin CAS-laskimella. Toisen asteen yhtälöitä ja neliöjuuria käytetään usealla matematiikan kurssilla, joten niiden opetteluun kannatta siis panostaa.

Toisen asteen yhtälö

Toisen asteen yhtälöitä hyödynnetään eri tieteen aloilla, muun muassa luonnontieteen, tekniikan ja talouden aloilla. Toisen asteen yhtälöt voidaan luokitella täydellisiin toisen asteen yhtälöihin ja vaillinaisiin toisen asteen yhtälöihin riippuen niissä esiintyvien termien lukumäärästä. Täydellisessä toisen asteen yhtälössä on toisen ja ensimmäisen asteen termi sekä nollasta poikkeava vakiotermi. Vaillinaisessa toisen asteen yhtälössä ei esiinny näitä kolmea termiä yhtäaikaisesti.

Toisen asteen yhtälö on muotoa  jossa 
Jos , niin kyseessä on täydellinen toisen asteen yhtälö.
Jos  tai  , tai molemmat ovat nollia, niin kyseessä on vaillinainen toisen asteen yhtälö.

Kun ratkaistaan toisen asteen yhtälöä  ratkaistaan samalla, millä muuttujan  arvoilla polynomifunktion arvo on 0. Yhtälön  ratkaisut ovat siis polynomifunktion nollakohtia. Kappaleessa 2.0 nollakohtia selvitettiin kuvaajien avulla etsimällä funktion kuvaajan ja -akselin leikkauskohdat. Tällöin myös huomattiin, että koska toisen asteen polynomifunktion kuvaaja on paraabeli, sillä on 0, 1 tai 2 reaalista ratkaisua tai nollakohtaa. Tässä luvussa opetellaan ratkaisemaan algebrallisesti vaillinaisia toisen asteen yhtälöitä. Algebrallisella ratkaisulla saadaan yhtälöiden ratkaisuiksi tarkkoja arvoja. Täydellisen toisen asteen yhtälön ratkaiseminen opetellaan luvussa 2.2.

Neliöjuuri

Neliöjuuri:
, jos  ja 
 ei ole määritelty reaalilukujen joukossa, jos  

Vaillinaiset toisen asteen yhtälöt muotoa  voidaan ratkaista neliöjuuren avulla. Neliöjuuren määritelmän mukaisesti luvun  neliöjuuri on epänegatiivinen luku , jonka toinen potenssi on luku . Esimerkiksi \textcolor{#000000}{\sqrt{4}=2}, koska \textcolor{#000000}{2^2=4} ja 2 on positiivinen luku.

 

Esimerkki 1: Neliöjuuri

Määritetään seuraavien neliöjuurten arvot ilman teknisiä apuvälineitä

a)  \textcolor{#000000}{\sqrt{25}}

Ratkaisu:

\textcolor{#000000}{\sqrt{25}} on epänegatiivinen luku, jonka toinen potenssi on 25.

Perusteluna \textcolor{#000000}{5^2=25\ \ ja\ 5\ge0}.

Siis \textcolor{#000000}{\sqrt{25}}=5.

b) \textcolor{#000000}{\sqrt{-25}}

Ratkaisu:

Neliöjuurta ei olla määritelty negatiivisille juurrettaville reaalilukujen joukossa.

Siis \textcolor{#000000}{\sqrt{-25}} ei voida ratkaista.

c) -\textcolor{#000000}{\sqrt{25}}

Ratkaisu:

a-kohdan mukaisesti \textcolor{#000000}{\sqrt{25}}=5, joten \textcolor{#000000}{-\sqrt{25}}=-5.

 

Neliöjuurilausekkeille on voimassa seuraavat neliöjuurten laskusäännöt:

Neliöjuuren neliö , kun 

Tulon neliöjuuri

, kun  ja 

Osamäärän neliöjuuri

, kun  ja 

Tutkitaan seuraavassa esimerkissä, miten neliöjuuren laskusääntöjä käytetään.

Esimerkki 2: Neliöjuurilausekkeiden sieventämistä

Sievennä seuraavia lausekkeita ilman teknisiä apuvälineitä.

a) \textcolor{#000000}{\sqrt{28}}

Ratkaisu:

\textcolor{#000000}{\sqrt{28}=\sqrt{4\cdot7}=\sqrt{4}\cdot\sqrt{7}=2\sqrt{7}}  

 

b) \textcolor{#000000}{\sqrt{5}\cdot\sqrt{20}}

Ratkaisu:
\textcolor{#000000}{\sqrt{5}\cdot\sqrt{20}=\sqrt{5\cdot20}=\sqrt{100}=10} 

c) \textcolor{#000000}{\sqrt{63}-\sqrt{28}}

Ratkaisu:
\textcolor{#000000}{\sqrt{63}-\sqrt{28}=\sqrt{9\cdot7}-\sqrt{4\cdot7}=}
\textcolor{#000000}{3\sqrt{7}-2\sqrt{7}=\sqrt{7}} 

d)  \textcolor{#000000}{\frac{\sqrt{27}}{\sqrt{48}}}

Ratkaisu:
\textcolor{#000000}{\frac{\sqrt{27}}{\sqrt{48}}=\frac{\sqrt{9\cdot3}}{\sqrt{16\cdot3}}=\frac{\sqrt{9}\sqrt{3}}{\sqrt{16}\sqrt{3}}=\frac{3\sqrt{3}}{4\sqrt{3}}=\frac{3}{4}}

f) \textcolor{#000000}{\frac{\sqrt{45}+\sqrt{20}}{\sqrt{80}}}

Ratkaisu:

\textcolor{#000000}{\frac{\sqrt{45}+\sqrt{20}}{\sqrt{80}}}=\textcolor{#000000}{\frac{\sqrt{9}\sqrt{5}+\sqrt{4}\sqrt{5}}{\sqrt{16}\sqrt{5}}}=\frac{3\sqrt{5}+2\sqrt{5}}{4\sqrt{5}}=
\textcolor{#000000}{\frac{5\sqrt{5}}{4\sqrt{5}}=\frac{5}{4}}

 

Tarkoille neliöjuurimerkinnöille on mahdollista saada likiarvo laskinohjelmistojen avulla.

Casiolla neliöjuuri \textcolor{#000000}{\sqrt{ }} löytyy Näppiksen Math1 välilehdeltä, joka on alla olevassa kuvassa ympyröity punaisella.

TI-Nspirellä neliöjuuri  \textcolor{#000000}{\sqrt{ }}  lasketaan komennolla sqrt( ) tai työkalulaatikon matematiikkamallien neliöjuurimerkinnällä, joka on alla olevassa kuvassa ympyröity punaisella.

 GeoGebralla neliöjuuri  \textcolor{#000000}{\sqrt{ }}  lasketaan komennolla sqrt( ) tai työkalulaatikon matematiikkamallien neliöjuurimerkinnällä, joka on alla olevassa kuvassa ympyröity punaisella.

Esimerkki 3: Neliöjuuri CAS-laskimella

Laske luvun \textcolor{#000000}{\sqrt{14}}  likiarvo 3 desimaalin tarkkuudella.

Casio:

Painastaan neliöjuuri-komentopainiketta näppäimistön Math1 välilehdeltä ja kirjoitetaan luku 14.

Likiarvon saat, kun painat likiarvo-komentopainiketta. Se on kuvassa ympyröity punaisella vasemmassa yläkulmassa.

Vastaus: \textcolor{#000000}{\sqrt{14}}\approx3{,}742

TI-Nspire:

Neliöjuuri voidaan kirjoittaa matematiikkamallien avulla tai komennolla sqrt(14). Kun painat lopuksi ctrl + enter, niin saadaan vastaukseksi likiarvo.

Vastaus: \textcolor{#000000}{\sqrt{14}}\approx3{,}742

GeoGebra-polku:

Kirjoitetaan CAS-tilassa komento sqrt(14) tai näppäimistöltä valitaan suoraan neliöjuurikomentopainike.

Komentopainiketta likiarvo, joka on kuvassa kehystetty sinisellä saadaan likiarvo. Vastauksen tarkkuutta voidaan tarvittaessa säätää valikosta: Asetukset  Pyöristä.

Vaillinaisen toisen asteen yhtälön ratkaiseminen:

Toisen asteen yhtälö  on vaillinainen, jos siitä puuttuu joko ensimmäisen asteen termi tai vakiotermi tai molemmat. Toisen asteen yhtälö on siis muotoa: \textcolor{#000000}{ax^2=0} tai \textcolor{#000000}{ax^2+bx=0} tai \textcolor{#000000}{ax^2+c=0}.

A) Vaillinainen toisen asteen yhtälö 

Muotoa  () olevasta toisen asteen yhtälöstä puuttuu ensimmäisen asteen termi eli . Tällaiset toisen asteen yhtälöt voidaan ratkaista neliöjuuren avulla.

 

Esimerkki 4: Vaillinainen toisen asteen yhtälö 

Ratkaise yhtälö ilman teknisiä apuvälineitä.

a) 

Ratkaisu:

 

Nyt voidaan ottaa neliöjuuri puolittain:

, josta

Vastaus:  tai  

 

b) 

Ratkaisu:

 

 

 

Vastaus:  tai 

c) 

Ratkaisu:

 

 

Yhtälöllä ei siis ole reaalista ratkaisua, sillä minkään luvun toinen potenssi ei ole 

Vastaus: Yhtälöllä ei ole reaalista ratkaisua

Yhtälöiden  ratkaisemisessa käytetään usein apuna myös aiemmin esiteltyjä neliöjuuren laskusääntöjä vastausta sieventäessä. Seuraavassa esimerkissä esitellään kaksi tällaista tilannetta.

Esimerkki 5: Vastauksena tarkka-arvo

Ratkaise yhtälöt ilman teknisiä apuvälineitä.

a) 

Ratkaisu:

 

 

 

Vastaus: tai 

 

b) 

Ratkaisu:

 

 

 

Yleensä neliöjuuria sisältävä lauseke pyritään muokkaamaan muotoon, jossa nimittäjässä ei ole neliöjuuria. Tässä lavennetaan lauseke luvulla .

Vastaus:  tai  

Seuraavassa esimerkissä käydään läpi, miten joissakin tilanteissa saadaan neliöjuuri sievennettyä pois nimittäjästä.

Esimerkki 6: Miten neliöjuuri saadaan pois nimittäjästä? 

Sievennä:

a) \textcolor{#000000}{\frac{x-\sqrt{2}}{x+\sqrt{2}}}

Ratkaisu:

\textcolor{#000000}{\frac{x-\sqrt{2}}{x+\sqrt{2}}=}\frac{(x-\sqrt{2})^2}{(x+\sqrt{2})(x-\sqrt{2})}=\frac{x^2-2\sqrt{2}x+2}{x^2-2}

Tässä esimerkissä  nimittäjässä oli lauseke \textcolor{#000000}{x+\sqrt{2}} . Tällainen rationaaliesitys voidaan laventaa lausekkeella: \textcolor{#000000}{(x-\sqrt{2})}.

b) \textcolor{#000000}{\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{2}-1}} 

Ratkaisu:
\textcolor{#000000}{\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{2}-1}=}\frac{\sqrt{2}(\sqrt{2}+1)}{(\sqrt{2}-1)(\sqrt{2}+1)}=\frac{2+\sqrt{2}}{2-1}=2+\sqrt{2}

Tässä esimerkissä  nimittäjässä oli lauseke \textcolor{#000000}{\sqrt{2}-1} . Tällainen rationaaliesitys voidaan laventaa lausekkeella: \textcolor{#000000}{(\sqrt{2}+1)} .

B) Vaillinainen toisen asteen yhtälö 

Muotoa  () olevasta toisen asteen yhtälöstä puuttuu vakiotermi eli . Tällaisten yhtälöiden ratkaisemisessa käytetään apuna tulon nollasääntöä.

Tulon nollasääntö

Tulo , jos ainakin toinen tulon tekijöistä on nolla. Tällöin  tai .
Yleisimmin: Tulo \textcolor{#000000}{mnp=0}, jos ainakin yksi tulon tekijöistä on nolla. Siis  tai  tai \textcolor{#000000}{p=0}.

 

Esimerkki 7: Tulon nollasääntö

Ratkaise yhtälö ilman teknisiä apuvälineitä.

Ratkaisu:

Tulon nollasäännön mukaan tulo voi olla 0 ainoastaan, jos ainakin yksi tulon tekijöistä on nolla. Nyt

Vastaus:  tai 

 

Tulon nollasääntöä siis hyödynnetään toisen asteen yhtälöissä joista puuttuu vakiotermi: . Yhtälön vasemman puolen lauseke jaetaan tekijöihin.

eli . Otetaan yhteiseksi tekijäksi: . Tämän jälkeen yhtälö voidaan ratkaista tulon nollasäännön avulla. Seuraavassa esimerkissä ratkaistaan vaillinainen toisen asteen yhtälö, josta puuttuu vakiotermi.

Esimerkki 8: Vaillinainen toisen asteen yhtälö 

Ratkaise yhtälö  ilman teknisiä apuvälineitä.

Ratkaisu:

 |Otetaan  yhteiseksi tekijäksi.

Tulon nollasäännön perusteella

Vastaus:  tai 

Kompleksiset ratkaisut

Esimerkissä 4c havaittiin, että yhtälöllä  ei ollut reaalisia ratkaisuja. Sillä on kuitenkin kompleksilukujen joukossa ratkaisuja. Kompleksilukujen joukossa on määritelty imaginääriyksikkö \textcolor{#000000}{i}, jolle  \textcolor{#000000}{i}^2=-1 . Jos esimerkiksi 

\textcolor{#000000}{x^2=-1}, niin \textcolor{#000000}{x^2=i^2}. Ottamalla puolittain neliöjuuret saadaan:\textcolor{#000000}{x=i\ \ \mathrm{tai\ }x=-i}  .


Esimerkki 9: Kompleksinen juuri

Ratkaise yhtälö \textcolor{#000000}{3\textcolor{#000000}{x^2=-27\ }}

Ratkaisu:

\textcolor{#000000}{3\textcolor{#000000}{x^2=-27\ }\ \mid\ :3}
\textcolor{#000000}{x^2=-9} 
\textcolor{#000000}{x^2=9i^2}\ \ \mid\sqrt{ }
Vastaus: \textcolor{#000000}{x=-3i\ \ \mathrm{tai\ }x=3i}  

 

Seuraavassa esimerkissä tarkastellaan kolmen tähtijalkapalloilijan rangaistuspotkuja. Ratkaisussa esitellään, miten vaillinainen toisen asteen yhtälö soveltuu jalkapalloilijoiden rangaistuspotkujen pomppukohtien tutkimiseen. Rangaistuspotkun pilkku ja ensimmäinen pomppukohta tulkitaan potkufunktion nollakohdiksi.

Esimerkki 10: Jalkapallon rangaistuspotkut

LÄHDE: PIXABAY (CC0)

Kesällä 2018 Venäjällä järjestettiin jalkapallon maailmanmestaruuskilpailut. Tapahtuman yhteydessä kolme kuuluisaa jalkapalloilijaa: Cristiano Ronaldo, Lionel Messi ja Neymar, päättivät osallistua rangaistuspotkukisaan. Rangaistuspotku laukaistaan aina ennalta määrätystä kohdasta, joka on 11 metriä maaliviivan keskikohdasta. Tässä rangaistuspotkukisassa voittaa se pelaaja, joka saa jalkapallon ensimmäisen pompun mahdollisimman lähelle maaliviivaa. Rangaistuspotkukisassa tähtijalkapalloilijoiden potkaisemat pallot noudattivat paraabelin lentorataa. Ronaldo: , Messi:  ja Neymar: . Kenen tähtijalkapalloilijan rangaistuspotkun ensimmäinen pomppu on lähinnä maaliviivaa? Oletetaan, että kuvassa oleva maalivahti ei ehdi ottaa palloa kiinni, -akseli kuvaa jalkapallokentän pintaa ja rangaistuspotkun pilkku sijaitsee origossa. Yhtä mittayksikköä vastaa yksi metri.

a) Tutki piirto-ohjelman avulla tähtijalkapalloilijoiden mallinnettuja potkufunktioita.

Ratkaisu:

Piirretään GeoGebralla jalkapalloilijoiden mallinnetut potkufunktiot:

Ronaldo: , Messi:  ja Neymar: 

Kuvassa on pisteen  kohdalle merkitty maaliviiva. Kuvaajien perusteella  ja . Potkufunktioiden  ja  nollakohdat eli ensimmäinen pomppu ovat lähinnä ja yhtä lähellä kohtaa .

Vastaus: Kuvaajan perusteella tähtijalkapalloilijat Lionel Messi ja Cristiano Ronaldo saavan rangaistuspotkunsa ensimmäisen pompun yhtä lähelle maaliviivaa, joka on  metrin päässä rangaistuspotkun pilkulta. 

b) Ratkaise tehtävä algebrallisesti.

Ratkaisu:

Toisella tavalla ratkaistaessa merkitään potkufunktio nollan kanssa yhtä suureksi.

Ronaldo: Merkitään  eli  |Otetaan  yhteiseksi tekijäksi.

Tulon nollasäännön perusteella:

 tai 

Siis  tai 

Messi: Merkitään  eli  |Otetaan  yhteiseksi tekijäksi.

Tulon nollasäännön perusteella:

 tai 

Siis  tai 

Neymar: Merkitään  eli  |Otetaan  yhteiseksi tekijäksi.

Tulon nollasäännön perusteella:  tai 

Siis  tai 

Vastaus: Ratkaisun perusteella tähtijalkapalloilijat Lionel Messi ja Cristiano Ronaldo saavan rangaistuspotkunsa ensimmäisen pompun yhtä lähelle maaliviivaa, joka on  metrin päässä rangaistuspotkun pilkulta.

Last modified: Tuesday, 10 March 2020, 4:34 PM