Применение разложения на множители
В уроках «Вынесение общего множителя за скобки» и «Способ группировки» вы записывали многочлен в виде произведения. Теперь посмотрим, зачем это нужно. Разложение на множители помогает решать уравнения, в которых произведение равно нулю, удобно вычислять и доказывать, что значение выражения делится на число.
Когда произведение равно нулю
Начнем с вопроса, на который ответим в разделе 4. Возьмите любое трехзначное число и запишите его два раза подряд: из $375$ получится $375375$, из $802$ — $802802$. Любое такое шестизначное число делится на $7$, на $11$ и на $13$. Почему так происходит, станет видно после разложения на множители.
Вспомним модель модуля: произведение двух чисел — площадь прямоугольника, а множители — его стороны. Прямоугольник со сторонами $4$ и $3$ имеет площадь $12$. Будем уменьшать сторону $3$: при $2$ площадь равна $8$, при $1$ — $4$. При $0$ прямоугольник сплющивается в отрезок, и площадь становится равной $0$. Пока обе стороны не равны нулю, площадь не равна нулю.
У отрицательных чисел длины нет, поэтому для них модель — только подсказка. Но правило знаков при умножении меняет лишь знак произведения, а не делает его нулем. Проверим на числах:
| $a$ | $b$ | $ab$ |
|---|---|---|
| $4$ | $3$ | $12$ |
| $4$ | $0$ | $0$ |
| $0$ | $-5$ | $0$ |
| $-2$ | $-3$ | $6$ |
| $0$ | $0$ | $0$ |
Произведение равно нулю ровно в тех строках, где нулю равен хотя бы один множитель.
Правило
Произведение равно нулю тогда и только тогда, когда хотя бы один из множителей равен нулю:
$$\begin{aligned}ab&=0\ \text{ — значит,}\\ a&=0\ \text{ или }\ b=0\end{aligned}$$
Слово «или» здесь означает «хотя бы один»: нулю могут равняться и оба множителя. Правило верно для любого числа множителей.
Почему это верно. Если один из множителей равен нулю, то произведение равно нулю: при умножении на нуль получается нуль. Обратно: если оба множителя не равны нулю, то их произведение тоже не равно нулю — у прямоугольника с ненулевыми сторонами площадь не нулевая, а знак минус ее нулем не сделает.
Отсюда способ решать уравнения, в которых одна часть — произведение, а другая — нуль: каждый множитель с переменной приравнивают к нулю и решают получившиеся линейные уравнения. Корни всех этих уравнений и есть корни исходного.
Пример 1
а) Решите уравнение $(x+5)(2x-7)=0$.
Произведение равно нулю, если $x+5=0$ или $2x-7=0$. Из первого уравнения $x=-5$. Из второго $2x=7$, $x=3{,}5$.
Проверка: при $x=-5$ первый множитель равен $0$, и произведение $0\cdot(-17)=0$; при $x=3{,}5$ второй множитель равен $0$, и произведение $8{,}5\cdot0=0$.
Ответ: $-5$; $3{,}5$.
б) Решите уравнение $3x(x+4)(x-6)=0$.
Числовой множитель $3$ нулем не бывает. Приравниваем к нулю множители с переменной: $x=0$, $x+4=0$ или $x-6=0$.
Ответ: $0$; $-4$; $6$.
Сначала разложить, потом приравнять к нулю
Уравнение $x^2=4x$ не похоже на «произведение равно нулю». Но его можно привести к такому виду. Перенесем $4x$ в левую часть и вынесем общий множитель $x$ за скобки, как в уроке «Вынесение общего множителя за скобки»:
$$\begin{aligned}x^2-4x&=0,\\ x(x-4)&=0\end{aligned}$$
Теперь $x=0$ или $x-4=0$. Уравнение имеет два корня: $0$ и $4$. Проверка: $0^2=4\cdot0$ и $4^2=4\cdot4$ — оба равенства верные.
Ошибка
Решавр решает то же уравнение $x^2=4x$ короче: «Разделим обе части на $x$, получим $x=4$». В ответе у него один корень.
Проверка на числах. Подставим $x=0$: слева $0^2=0$, справа $4\cdot0=0$. Равенство верное, значит, $0$ — корень уравнения, а в ответе Решавра его нет.
Где ломается рассуждение. Обе части уравнения можно делить только на число, не равное нулю. Выражение $x$ может оказаться нулем — и как раз при $x=0$ уравнение верно. Деление на $x$ молча отбрасывает этот случай. Поэтому выражение с переменной не делят, а выносят за скобки.
Как решить уравнение разложением
- Перенесите все члены в левую часть, чтобы справа остался $0$.
- Разложите левую часть на множители.
- Приравняйте к нулю каждый множитель с переменной.
- Решите получившиеся уравнения и запишите все корни.
Пример 2
а) Решите уравнение $5x^2+15x=0$.
Общий множитель $5x$: $5x(x+3)=0$. Тогда $5x=0$, то есть $x=0$, или $x+3=0$, то есть $x=-3$.
Ответ: $0$; $-3$.
б) Решите уравнение $x^3+2x^2=0$.
Общий множитель $x^2$: $x^2(x+2)=0$. Множитель $x^2$ равен нулю только при $x=0$, множитель $x+2$ — при $x=-2$.
Ответ: $0$; $-2$.
Ошибка
Правило работает только для нуля. Уравнение $(x-2)(x-6)=12$ иногда решают «по образцу»: $x-2=12$ или $x-6=12$, то есть $x=14$ или $x=18$.
Проверка на числах. При $x=14$ получаем $(14-2)(14-6)=12\cdot8=96$, а не $12$.
Где ломается рассуждение. Площадь $12$ бывает у прямоугольников $2\times6$, $3\times4$, $1\times12$ — по площади нельзя сказать, чему равна сторона. Площадь $0$ бывает только у сплющенного прямоугольника. Поэтому сначала раскроем скобки, как в уроке «Умножение многочлена на многочлен», и приведем подобные (урок «Раскрытие скобок и приведение подобных»):
$$\begin{aligned}x^2-8x+12&=12,\\ x^2-8x&=0,\\ x(x-8)&=0\end{aligned}$$
Корни: $0$ и $8$. Проверка: $(0-2)(0-6)=12$ и $(8-2)(8-6)=12$.
Посмотрите, как ведет себя произведение $(x-2)(x+a)$. Двигайте $x$ и $a$: на экране видны значения обоих множителей, их произведение, точки-корни на числовой прямой и прямоугольник, стороны которого — множители без знака. Когда один из множителей становится нулем, прямоугольник превращается в отрезок. Попробуйте найти, при каких $x$ произведение равно $12$, если $a=-6$, — и посмотрите, чему при этом равны множители.
Общий множитель упрощает вычисления
В уроке «Вынесение общего множителя за скобки» вы вычисляли сумму двух произведений с общим множителем. Иногда общий множитель спрятан. Например, в квадрате: $a^2=a\cdot a$, поэтому у слагаемых $1{,}7\cdot4{,}3$ и $1{,}7^2$ общий множитель $1{,}7$. Иногда общего множителя у всех слагаемых нет, но слагаемые можно сгруппировать, как в уроке «Способ группировки».
Вычислим $27\cdot46+27\cdot54+73\cdot46+73\cdot54$. В первых двух слагаемых общий множитель $27$, в двух последних — $73$:
$$\begin{aligned}27\cdot(46+54)&{}+73\cdot(46+54)=\\ &=(46+54)(27+73)=\\ &=100\cdot100=10\,000\end{aligned}$$
На языке модели четыре прямоугольника складываются в один квадрат со сторонами $27+73$ и $46+54$.
Удобное вычисление
Ищите общий множитель слагаемых — в том числе спрятанный в квадрате, $a^2=a\cdot a$. Выносите его за скобки или группируйте слагаемые так, чтобы в скобках получились удобные числа. Если известны значения нескольких выражений, разложите искомое выражение на множители из этих выражений.
Пример 3
а) Вычислите $1{,}7\cdot4{,}3+1{,}7^2$.
$1{,}7^2=1{,}7\cdot1{,}7$, общий множитель $1{,}7$: $1{,}7\cdot(4{,}3+1{,}7)=1{,}7\cdot6=10{,}2$.
Ответ: $10{,}2$.
б) Известно, что $x+y=8$ и $xy=-3$. Найдите значение выражения $x^2y+xy^2$.
Сами числа $x$ и $y$ искать не нужно. Общий множитель $xy$: $x^2y+xy^2=xy(x+y)=-3\cdot8=-24$.
Ответ: $-24$.
Делимость видна в произведении
Вернемся к вопросу из начала урока. Число $375375$ — это $375$ тысяч и еще $375$:
$$\begin{aligned}375375&=375\cdot1000+375=\\ &=375\cdot(1000+1)=375\cdot1001\end{aligned}$$
А $1001=7\cdot11\cdot13$: проверьте умножением, $7\cdot11=77$, $77\cdot13=1001$. Значит, $375375=375\cdot7\cdot11\cdot13$, и число делится на $7$, на $11$ и на $13$. Для любого трехзначного числа $n$ рассуждение то же: число, записанное дважды, равно $1000n+n=1001n$.
По сумме делимость видна не всегда: $7+8=15$ делится на $5$, хотя ни $7$, ни $8$ на $5$ не делятся. А по произведению видна сразу. Если у прямоугольника из целых клеток одна сторона равна $k$, то он складывается из полосок по $k$ клеток, и его площадь делится на $k$. О признаках делимости и простых множителях — в уроке «Делимость, простые множители, НОД и НОК».
Делимость через разложение
Если выражение с целыми значениями разложено на множители и один из множителей делится на число $k$, то значение всего выражения делится на $k$:
$$\begin{aligned}A&=k\cdot m,\ m\ \text{— целое}\ \Rightarrow\\ &\Rightarrow\ A\ \text{делится на}\ k\end{aligned}$$
Пример 4
а) Докажите, что $3^{12}-3^{10}$ делится на $8$.
$3^{12}=3^{10}\cdot3^2=3^{10}\cdot9$, поэтому общий множитель $3^{10}$: $3^{12}-3^{10}=3^{10}\cdot(9-1)=3^{10}\cdot8$. Один из множителей равен $8$, значит, число делится на $8$.
б) Докажите, что при любом натуральном $n$ значение выражения $(n+5)(n+2)-n(n+2)$ кратно $5$.
Общий множитель — скобка $(n+2)$: $(n+2)(n+5-n)=5(n+2)$. Один из множителей равен $5$, а $n+2$ — целое число, значит, значение кратно $5$. Проверка при $n=1$: $6\cdot3-1\cdot3=15$.
Задачи, в которых один корень лишний
В задачах о площадях и объемах уравнение вида «произведение равно нулю» получается часто. Но корень уравнения — еще не ответ задачи. Длина стороны больше нуля, поэтому корень $0$ по смыслу не подходит.
Задача 1
Площадь квадрата (в см²) численно равна его утроенному периметру (в см). Найдите сторону квадрата.
Решение. Пусть сторона равна $x$ см. Площадь $x^2$, периметр $4x$, утроенный периметр $12x$.
$$\begin{aligned}x^2&=12x,\\ x^2-12x&=0,\\ x(x-12)&=0\end{aligned}$$
Корни: $x=0$ или $x=12$. Сторона квадрата не может быть равна нулю, поэтому подходит только $12$. Проверка: площадь $144$, утроенный периметр $3\cdot48=144$.
Ответ: $12$ см.
Задача 2
Объем куба (в см³) численно равен площади его поверхности (в см²). Найдите ребро куба.
Решение. Пусть ребро равно $x$ см. Объем $x^3$, поверхность — шесть квадратов, ее площадь $6x^2$.
$$\begin{aligned}x^3&=6x^2,\\ x^3-6x^2&=0,\\ x^2(x-6)&=0\end{aligned}$$
Корни: $x=0$ или $x=6$. Ребро куба больше нуля, поэтому ответ $6$. Проверка: объем $216$, площадь поверхности $6\cdot36=216$.
Ответ: $6$ см.
Если разделить обе части на $x^2$, ответ здесь случайно получится верным: потерянный корень $0$ все равно не подходит по смыслу. В уравнении без такого условия деление потеряло бы корень.
Важно
Решив уравнение, проверьте каждый корень по смыслу условия: длина, количество предметов, возраст не могут быть нулем или отрицательным числом. Подставлять корень для проверки нужно в исходное уравнение.
Вывод
Разложение на множители превращает сумму в произведение, а у произведения сразу видно, когда оно равно нулю и на какие числа делится. Так решаются уравнения вида «произведение равно нулю», упрощаются вычисления и доказывается делимость. Чтобы быстро вспомнить главное, представьте прямоугольник, стороны которого — множители, а площадь — произведение.
Часто задаваемые вопросы
Делить обе части уравнения можно только на число, не равное нулю. Заранее неизвестно, равен ли $x$ нулю, а при делении случай $x=0$ теряется вместе с корнем. Надежнее вынести $x$ за скобки: тогда корень $0$ останется в решении.
Каждый множитель вида $kx+b$ при $k\ne0$ дает ровно один корень, а одинаковые множители дают один и тот же корень. Например, у $x^2(x+2)=0$ множитель $x^2=x\cdot x$ дает только корень $0$, поэтому корней два. Числовой множитель, не равный нулю, корней не дает.
Перенести все члены в левую часть, раскрыть скобки и привести подобные. Только когда справа остался нуль, а слева — произведение, каждый множитель приравнивают к нулю.
Калькулятор проверяет одно число, а разложение $1001n$ доказывает делимость сразу для всех трехзначных $n$. Выражение с переменной, например $5(n+2)$, калькулятор не проверит при всех натуральных $n$, а разложение показывает делимость при любом $n$.
Подставьте каждый корень в исходное уравнение и убедитесь, что получилось верное равенство. В задаче дополнительно проверьте, подходит ли корень по смыслу: сторона, ребро, количество не могут быть нулем или отрицательным числом.
Получите полный доступ ко всем материалам и занимайтесь в удобном темпе — без ограничений.
- Более 700 000 учеников и 50 000 учителей по всей России.
- Повышение среднего балла по предмету до 20 % после месяца занятий.
- Всплеск интереса к учебе и более глубокое понимание предметов.
Создайте бесплатный аккаунт — и откройте больше возможностей:
- Отслеживайте прогресс освоения тем
- Получайте персональные подборки полезных уроков и заданий
- Проводите работу над ошибками после занятий