Teoreema
Teoreema
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 |
Jos |
Jos |
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: |
Vaillinaiset toisen asteen yhtälöt muotoa voidaan ratkaista neliöjuuren avulla. Neliöjuuren määritelmän mukaisesti luvun
neliöjuuri on epänegatiivinen luku
, jonka toinen potenssi on luku
. Esimerkiksi
, koska
ja 2 on positiivinen luku.
Esimerkki 1: Neliöjuuri
Määritetään seuraavien neliöjuurten arvot ilman teknisiä apuvälineitä
a)
Ratkaisu:
on epänegatiivinen luku, jonka toinen potenssi on 25.
Perusteluna .
Siis .
b)
Ratkaisu:
Neliöjuurta ei olla määritelty negatiivisille juurrettaville reaalilukujen joukossa.
Siis ei voida ratkaista.
c) -
Ratkaisu:
a-kohdan mukaisesti , joten
.
Neliöjuurilausekkeille on voimassa seuraavat neliöjuurten laskusäännöt:
Neliöjuuren neliö | |
Tulon neliöjuuri |
|
Osamäärän neliöjuuri |
Tutkitaan seuraavassa esimerkissä, miten neliöjuuren laskusääntöjä käytetään.
Esimerkki 2: Neliöjuurilausekkeiden sieventämistä
Sievennä seuraavia lausekkeita ilman teknisiä apuvälineitä.
a)
Ratkaisu:
b)
Ratkaisu:
c)
Ratkaisu:
d)
Ratkaisu:
f)
Ratkaisu:
Tarkoille neliöjuurimerkinnöille on mahdollista saada likiarvo laskinohjelmistojen avulla.
Casiolla neliöjuuri
löytyy Näppiksen Math1 välilehdeltä, joka on alla olevassa kuvassa ympyröity punaisella.
TI-Nspirellä neliöjuuri lasketaan komennolla sqrt( ) tai työkalulaatikon matematiikkamallien neliöjuurimerkinnällä, joka on alla olevassa kuvassa ympyröity punaisella.
GeoGebralla neliöjuuri lasketaan komennolla sqrt( ) tai työkalulaatikon matematiikkamallien neliöjuurimerkinnällä, joka on alla olevassa kuvassa ympyröity punaisella.
Esimerkki 3: Neliöjuuri CAS-laskimella
Laske luvun 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:
TI-Nspire:
Neliöjuuri voidaan kirjoittaa matematiikkamallien avulla tai komennolla sqrt(14). Kun painat lopuksi ctrl + enter, niin saadaan vastaukseksi likiarvo.
Vastaus:
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:
tai
tai
.
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)
Ratkaisu:
Tässä esimerkissä nimittäjässä oli lauseke . Tällainen rationaaliesitys voidaan laventaa lausekkeella:
.
b)
Ratkaisu:
Tässä esimerkissä nimittäjässä oli lauseke . Tällainen rationaaliesitys voidaan laventaa lausekkeella:
.
B) Vaillinainen toisen asteen yhtälö 
Muotoa (
) olevasta toisen asteen yhtälöstä puuttuu vakiotermi eli
. Tällaisten yhtälöiden ratkaisemisessa käytetään apuna tulon nollasääntöä.
Tulon nollasääntö
Tulo |
Yleisimmin: Tulo |
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
, jolle
. Jos esimerkiksi
Esimerkki 9: Kompleksinen juuri
Ratkaise yhtälö
Ratkaisu:
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

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.