Рациональные уравнения в задании 13 ЕГЭ: метод замены переменной
Задачи (5)
- № 519423а) Решите уравнение … б) Найдите его корни, принадлежащие отрезку …с ответом
- № 519424а) Решите уравнение … б) Найдите его корни, принадлежащие отрезку …с ответом
- № 519425а) Решите уравнение … б) Найдите его корни, принадлежащие отрезку …с ответом
- № 563297а) Решите уравнение … б) Укажите корни этого уравнения, принадлежащие отрезку …с ответом
- № 627406а) Решите уравнение … б) Укажите корни этого уравнения, принадлежащие отрезку …с ответом
О чём эта подтема
Задание 13 профильного ЕГЭ часто включает рациональное уравнение, где переменная стоит и в числителе, и в знаменателе нескольких дробей. Такие уравнения нельзя решить простым переносом слагаемых — сначала нужно привести уравнение к общему знаменателю или обнаружить скрытую квадратичную структуру и ввести замену. Задание состоит из двух пунктов: в пункте а) требуется найти все корни уравнения, в пункте б) — отобрать из них те, что попадают в заданный отрезок. Это значит, что даже правильно решённое уравнение не гарантирует баллы за весь номер: нужно аккуратно поработать с числовыми оценками корней.
Ключевая особенность подтемы — распознавание симметричной структуры вида , которая после замены сводится к квадратному уравнению. Такие задачи регулярно встречаются в профильном экзамене, и умение быстро увидеть подстановку экономит время на экзамене.
Что нужно знать
Разберём набор фактов и приёмов, которые реально понадобятся.
- Определение ОДЗ: знаменатель дроби не может быть равен нулю. Все значения переменной, обращающие любой из знаменателей в нуль, исключаются из ответа.
- Приведение к общему знаменателю и умножение обеих частей уравнения на общий знаменатель — базовый приём для рациональных уравнений.
- Тождества квадрата разности и суммы: , . Именно они позволяют выразить сумму квадратов через квадрат разности новой переменной.
- Метод замены переменной: если уравнение содержит выражения и связанную с ними сумму квадратов дробей, стоит ввести и выразить исходную сумму через .
- Решение квадратного уравнения: формула корней , , и теорема Виета для быстрой проверки корней.
- После нахождения значения новой переменной нужно решить ещё одно квадратное уравнение — уже относительно исходной переменной, то есть решение состоит из двух «этажей».
- Обязательная проверка ОДЗ на финальном этапе — часть корней может не подходить.
- Для пункта б) — умение сравнивать иррациональные числа с целыми границами отрезка: оценка значений вида , через соседние целые числа (например, ).
Этих фактов достаточно — более сложная теория (тригонометрия, логарифмы) в этой подтеме не требуется.
Как решать: метод и алгоритм
Алгоритм решения рационального уравнения такого типа:
- Найдите ОДЗ — исключите значения переменной, обращающие знаменатели в нуль.
- Проанализируйте структуру уравнения. Если видно, что квадраты дробей и линейные дроби связаны общим двучленом (например, ), введите новую переменную , чтобы упростить запись.
- Заметьте, что часть уравнения — сумма вида , а другая часть — линейная комбинация вида . Введите замену .
- Возведите в квадрат: . Подберите множитель, чтобы выразить именно ту сумму квадратов, что стоит в уравнении.
- Подставьте выражение через в исходное уравнение — получится квадратное уравнение относительно .
- Решите его через дискриминант, найдите .
- Для каждого значения составьте уравнение , умножьте на и получите квадратное уравнение относительно .
- Решите каждое из двух квадратных уравнений, найдите значения , затем переведите их в через обратную замену.
- Проверьте все найденные корни на соответствие ОДЗ.
- Если требуется пункт б), отберите корни, попадающие в заданный отрезок, оценив иррациональные значения численно.
Этот алгоритм эффективен: он сводит уравнение высокой степени (после умножения на общий знаменатель) к двум последовательным квадратным уравнениям, что значительно проще прямого раскрытия скобок.
Разбор примера
Пример 1. Решить уравнение а затем найти корни, принадлежащие отрезку .
Шаг 1. ОДЗ. Знаменатели и не равны нулю при .
Шаг 2. Замена. Введём . Уравнение примет вид
Шаг 3. Вторая замена. Введём . Тогда Умножим на 2:
Шаг 4. Квадратное уравнение относительно . Подставим в исходное уравнение: Дискриминант: , . Корни:
Шаг 5. Возврат к : случай . , . Тогда .
Шаг 6. Случай . Разложим: , значит или . Тогда или .
Шаг 7. Проверка ОДЗ. Все найденные значения (; ; ; ) не равны 2, значит подходят.
Ответ пункта а): .
Шаг 8. Пункт б) — отбор корней на . Оценим: , тогда (входит в отрезок), (не входит). Корень входит в отрезок, корень не входит.
Ответ пункта б): .
Пример 2 решается тем же методом. Уравнение после замены и даёт , откуда , то есть . Подставив в уравнение, получаем , то есть , корни , . Далее для каждого составляется квадратное уравнение относительно , решается и переводится в . В итоге корни: , а на отрезке лежат и (так как , значит ).
Типичные ошибки
- Забывают исключить из ответа значение, при котором знаменатель обращается в нуль (в примерах — и ).
- Ошибаются в коэффициенте при переходе от к исходной сумме квадратов — забывают домножить на 2 (или на 5), из-за чего получается неверное квадратное уравнение относительно .
- Путают знак при удвоенном произведении, применяя формулу квадрата суммы вместо квадрата разности (или наоборот).
- После нахождения забывают сделать обратную замену и записывают в ответ значения вместо .
- В пункте б) сравнивают иррациональные корни с границами отрезка «на глаз», без честной численной оценки, и теряют или добавляют лишний корень.
- Допускают арифметическую ошибку в дискриминанте одного из двух квадратных уравнений, что приводит к неверным корням на «втором этаже» решения.
- Не проверяют, что все найденные корни удовлетворяют исходному уравнению и ОДЗ, особенно после умножения на выражения с переменной.
На что обратить внимание на экзамене
Сразу выписывайте ОДЗ, прежде чем начинать преобразования: это экономит время и не даёт забыть об исключении корня. Ищите общую линейную часть в знаменателях (в примерах это и ) и вводите для неё отдельную букву — так уравнение визуально проще. При возведении новой переменной в квадрат аккуратно следите за коэффициентом, на который нужно домножить , чтобы он совпал с суммой в исходном уравнении: лучше выписать это отдельным равенством, а не держать в голове. Оба квадратных уравнения (относительно и относительно ) решайте через дискриминант, не пытаясь угадывать корни, чтобы не потерять точность. В пункте б) обязательно оценивайте иррациональные значения численно, через соседние квадраты целых чисел, а не интуитивно, и сверяйте каждое найденное значение с границами отрезка. Записывайте промежуточные значения (, затем ) явно, чтобы не перепутать этажи замены при переносе ответа в бланк.
Частые вопросы
Как понять, что в рациональном уравнении нужно вводить замену переменной?
Сигнал — присутствие выражения и его «обратной» части: например, вместе с . Если квадрат второго выражения через тождество даёт первое (с точностью до коэффициента и константы), замена сработает.
Что делать, если после замены получается не квадратное, а более сложное уравнение?
Проверьте, правильно ли подобран коэффициент при и константа — обычно ошибка именно здесь. Если структура распознана верно, уравнение относительно всегда получается квадратным, так как исходная сумма квадратов дробей однозначно выражается через и число.
Как оценивать иррациональные корни для отбора по отрезку без калькулятора?
Находите два соседних целых числа, квадраты которых окружают подкоренное выражение: например, даёт . Этой точности обычно достаточно, чтобы понять, попадает ли корень в заданный отрезок.
Нужно ли проверять ОДЗ отдельно после каждого квадратного уравнения или только в конце?
Достаточно проверить ОДЗ один раз в конце, когда все кандидаты в корни уже переведены в исходную переменную . Промежуточные значения и проверять не нужно, важно лишь итоговое множество значений .
Можно ли решать такие уравнения без замены, просто раскрыв все скобки?
Формально можно привести уравнение к общему знаменателю и получить уравнение четвёртой степени, но решать его без замены крайне трудоёмко и рискованно по времени на экзамене. Замена переменной — практически обязательный приём для этого типа заданий.
Как быстро найти общий линейный множитель в знаменателях уравнения?
Посмотрите на все знаменатели дробей: если везде встречается одно и то же выражение вида (в первой или второй степени), это и есть общий множитель. Обозначьте его новой буквой — так структура уравнения станет заметно проще.