Рациональные уравнения в задании 13 ЕГЭ: метод замены переменной

Задачи (5)

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 A+kAA + \frac{k}{A}, 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: (ab)2=a22ab+b2(a-b)^2 = a^2 - 2ab + b^2, (a+b)2=a2+2ab+b2(a+b)^2 = a^2+2ab+b^2. Именно они позволяют выразить сумму квадратов через квадрат разности новой переменной.
  • Метод замены переменной: если уравнение содержит выражения unku\frac{u}{n} - \frac{k}{u} и связанную с ними сумму квадратов дробей, стоит ввести y=unkuy = \frac{u}{n} - \frac{k}{u} и выразить исходную сумму через y2y^2.
  • Решение квадратного уравнения: формула корней x=b±D2ax = \frac{-b\pm\sqrt{D}}{2a}, D=b24acD=b^2-4ac, 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 22\sqrt{22}, 65\sqrt{65} через соседние целые числа (например, 4<22<54<\sqrt{22}<5).

Этих фактов достаточно — более сложная теория (тригонометрия, логарифмы) в этой подтеме не требуется.

Как решать: метод и алгоритм

Алгоритм решения рационального уравнения такого типа:

  1. Найдите ОДЗ — исключите значения переменной, обращающие знаменатели в нуль.
  2. Проанализируйте структуру уравнения. Если видно, что квадраты дробей и линейные дроби связаны общим двучленом (например, xax-a), введите новую переменную u=xau = x-a, чтобы упростить запись.
  3. Заметьте, что часть уравнения — сумма вида u2n+ku2\frac{u^2}{n} + \frac{k}{u^2}, а другая часть — линейная комбинация вида unmu\frac{u}{n} - \frac{m}{u}. Введите замену y=unmuy = \frac{u}{n} - \frac{m}{u}.
  4. Возведите yy в квадрат: y2=u2n22mn+m2u2y^2 = \frac{u^2}{n^2} - \frac{2m}{n} + \frac{m^2}{u^2}. Подберите множитель, чтобы выразить именно ту сумму квадратов, что стоит в уравнении.
  5. Подставьте выражение через y2y^2 в исходное уравнение — получится квадратное уравнение относительно yy.
  6. Решите его через дискриминант, найдите y1,y2y_1, y_2.
  7. Для каждого значения yy составьте уравнение unmu=y\frac{u}{n} - \frac{m}{u} = y, умножьте на nunu и получите квадратное уравнение относительно uu.
  8. Решите каждое из двух квадратных уравнений, найдите значения uu, затем переведите их в xx через обратную замену.
  9. Проверьте все найденные корни на соответствие ОДЗ.
  10. 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 (x2)22+18(x2)2=7(x223x2)+10,\frac{(x-2)^2}{2} + \frac{18}{(x-2)^2} = 7\left(\frac{x-2}{2} - \frac{3}{x-2}\right) + 10, а затем найти корни, принадлежащие отрезку [2;2][-2;2].

Шаг 1. ОДЗ. Знаменатели (x2)2(x-2)^2 и x2x-2 не равны нулю при x2x\neq 2.

Шаг 2. Замена. Введём u=x2u = x-2. Уравнение примет вид u22+18u2=7(u23u)+10.\frac{u^2}{2}+\frac{18}{u^2}=7\left(\frac{u}{2}-\frac{3}{u}\right)+10.

Шаг 3. Вторая замена. Введём y=u23uy=\frac{u}{2}-\frac{3}{u}. Тогда y2=u243+9u2.y^2=\frac{u^2}{4}-3+\frac{9}{u^2}. Умножим на 2: 2y2=u226+18u2  u22+18u2=2y2+6.2y^2=\frac{u^2}{2}-6+\frac{18}{u^2}\ \Rightarrow\ \frac{u^2}{2}+\frac{18}{u^2}=2y^2+6.

Шаг 4. Квадратное уравнение относительно yy. Подставим в исходное уравнение: 2y2+6=7y+10  2y27y4=0.2y^2+6=7y+10\ \Rightarrow\ 2y^2-7y-4=0. Дискриминант: D=49+32=81D=49+32=81, D=9\sqrt{D}=9. Корни: y1=7+94=4,y2=794=12.y_1=\frac{7+9}{4}=4,\qquad y_2=\frac{7-9}{4}=-\frac12.

Шаг 5. Возврат к uu: случай y=4y=4. u23u=4  u26=8u  u28u6=0.\frac{u}{2}-\frac{3}{u}=4\ \Rightarrow\ u^2-6=8u\ \Rightarrow\ u^2-8u-6=0. D=64+24=88D=64+24=88, u=4±22u=4\pm\sqrt{22}. Тогда x=u+2=6±22x=u+2=6\pm\sqrt{22}.

Шаг 6. Случай y=12y=-\frac12. u23u=12  u26=u  u2+u6=0.\frac{u}{2}-\frac{3}{u}=-\frac12\ \Rightarrow\ u^2-6=-u\ \Rightarrow\ u^2+u-6=0. Разложим: (u+3)(u2)=0(u+3)(u-2)=0, значит u=3u=-3 или u=2u=2. Тогда x=1x=-1 или x=4x=4.

Шаг 7. Проверка ОДЗ. Все найденные значения (1-1; 44; 6226-\sqrt{22}; 6+226+\sqrt{22}) не равны 2, значит подходят.

Ответ пункта а): {1;4;622;6+22}\{-1;\,4;\,6-\sqrt{22};\,6+\sqrt{22}\}.

Шаг 8. Пункт б) — отбор корней на [2;2][-2;2]. Оценим: 224.69\sqrt{22}\approx4.69, тогда 6221.316-\sqrt{22}\approx1.31 (входит в отрезок), 6+2210.696+\sqrt{22}\approx10.69 (не входит). Корень 1-1 входит в отрезок, корень 44 не входит.

Ответ пункта б): {1;622}\{-1;\,6-\sqrt{22}\}.

Пример 2 решается тем же методом. Уравнение (x+3)25+20(x+3)2=8(x+352x+3)+1\frac{(x+3)^2}{5}+\frac{20}{(x+3)^2}=8\left(\frac{x+3}{5}-\frac{2}{x+3}\right)+1 после замены u=x+3u=x+3 и y=u52uy=\frac{u}{5}-\frac{2}{u} даёт y2=u22545+4u2y^2=\frac{u^2}{25}-\frac{4}{5}+\frac{4}{u^2}, откуда 5y2=u254+20u25y^2=\frac{u^2}{5}-4+\frac{20}{u^2}, то есть u25+20u2=5y2+4\frac{u^2}{5}+\frac{20}{u^2}=5y^2+4. Подставив в уравнение, получаем 5y2+4=8y+15y^2+4=8y+1, то есть 5y28y+3=05y^2-8y+3=0, корни y1=1y_1=1, y2=35y_2=\frac{3}{5}. Далее для каждого yy составляется квадратное уравнение относительно uu, решается и переводится в x=u3x=u-3. В итоге корни: {5;2;1+652;1+652}\{-5;\,2;\,-\frac{1+\sqrt{65}}{2};\,\frac{-1+\sqrt{65}}{2}\}, а на отрезке [6;4][-6;-4] лежат 5-5 и 1+652-\frac{1+\sqrt{65}}{2} (так как 658.06\sqrt{65}\approx8.06, значит 1+6524.53-\frac{1+\sqrt{65}}{2}\approx-4.53).

Типичные ошибки

  • Забывают исключить из ответа значение, при котором знаменатель обращается в нуль (в примерах — x=2x=2 и x=3x=-3).
  • Ошибаются в коэффициенте при переходе от y2y^2 к исходной сумме квадратов — забывают домножить на 2 (или на 5), из-за чего получается неверное квадратное уравнение относительно yy.
  • Путают знак при удвоенном произведении, применяя формулу квадрата суммы вместо квадрата разности (или наоборот).
  • После нахождения uu забывают сделать обратную замену и записывают в ответ значения uu вместо xx.
  • 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 x2x-2 и x+3x+3) и вводите для неё отдельную букву — так уравнение визуально проще. При возведении новой переменной в квадрат аккуратно следите за коэффициентом, на который нужно домножить y2y^2, чтобы он совпал с суммой в исходном уравнении: лучше выписать это отдельным равенством, а не держать в голове. Оба квадратных уравнения (относительно yy и относительно uu) 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 (uu, затем xx) 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, u2n+ku2\frac{u^2}{n}+\frac{k}{u^2} вместе с unmu\frac{u}{n}-\frac{m}{u}. Если квадрат второго выражения через тождество даёт первое (с точностью до коэффициента и константы), замена y=unmuy=\frac{u}{n}-\frac{m}{u} сработает.

Что делать, если после замены получается не квадратное, а более сложное уравнение?

Проверьте, правильно ли подобран коэффициент при y2y^2 и константа — обычно ошибка именно здесь. Если структура распознана верно, уравнение относительно yy всегда получается квадратным, так как исходная сумма квадратов дробей однозначно выражается через y2y^2 и число.

Как оценивать иррациональные корни для отбора по отрезку без калькулятора?

Находите два соседних целых числа, квадраты которых окружают подкоренное выражение: например, 16<22<2516<22<25 даёт 4<22<54<\sqrt{22}<5. 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 xx. Промежуточные значения uu и yy проверять не нужно, важно лишь итоговое множество значений xx.

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 xax-a (в первой или второй степени), это и есть общий множитель. Обозначьте его новой буквой — так структура уравнения станет заметно проще.