Сложение и вычитание дробей с разными знаменателями
В уроке «Сложение и вычитание дробей с одинаковыми знаменателями» доли были одного размера, и дроби складывались счетом долей. Теперь знаменатели разные: $\frac{3}{x^2-4}$ и $\frac{1}{x+2}$. Научимся находить наименьший общий знаменатель, дополнительные множители, складывать и вычитать такие дроби и сокращать результат.
Вопрос на весь урок: автомобиль ехал в поселок со скоростью $90$ км/ч, а обратно — $60$ км/ч. Средняя скорость кажется равной $75$ км/ч, но это неверно. Ответ требует сложить две дроби с разными знаменателями — он в последнем разделе.
Доли разного размера не складываются счетом
Возьмем две одинаковые полосы. Первую разрежем на $2$ доли и закрасим одну: это $\frac{1}{2}$. Вторую разрежем на $3$ доли и закрасим одну: это $\frac{1}{3}$. Сложить закраску счетом не получится: доли разного размера, и «$1+1=2$ доли» ничего не значит — две доли чего?
Выход — разрезать обе полосы одинаково мелко. Сетка из $6$ долей подходит обеим: половина — это $3$ шестых, треть — это $2$ шестых. Теперь доли одного размера, и их можно сосчитать: $3+2=5$ шестых.
На языке дробей это выглядит так:
$$\frac{1}{2}+\frac{1}{3}=\frac{1\cdot3}{2\cdot3}+\frac{1\cdot2}{3\cdot2}=\frac{3}{6}+\frac{2}{6}=\frac{5}{6}$$
Каждую дробь мы умножили на свой множитель и в числителе, и в знаменателе — по основному свойству дроби из урока «Основное свойство дроби. Сокращение дробей». Половину умножили на $3$: сетка стала в $3$ раза мельче, и закрашенных долей стало в $3$ раза больше. Треть умножили на $2$.
Определение
Наименьший общий знаменатель дробей — наименьшее выражение, которое делится на каждый из знаменателей. В модели это общая сетка с наименьшим числом долей (доли в ней самые крупные), в которую укладываются обе дроби.
Дополнительный множитель дроби — то, на что нужно умножить ее знаменатель, чтобы получить общий. На него же умножают и числитель.
Пример
Задача. Сложите $\frac{1}{4}+\frac{1}{10}$.
Решение. Произведение $4\cdot10=40$ подходит как общий знаменатель, но сетка из $40$ долей слишком мелкая. Перебираем кратные большего знаменателя: $10$ не делится на $4$, а $20$ делится. Наименьший общий знаменатель — $20$.
Дополнительные множители: $20:4=5$ и $20:10=2$.
$$\frac{1}{4}+\frac{1}{10}=\frac{1\cdot5}{20}+\frac{1\cdot2}{20}=\frac{5+2}{20}=\frac{7}{20}$$
Ответ: $\frac{7}{20}$.
Обратите внимание
Со знаменателем $40$ ответ тоже получится верным: $\frac{10+4}{40}=\frac{14}{40}$. Но эту дробь придется сокращать, а с буквами сокращение громоздкой дроби — главный источник ошибок. Поэтому ищем именно наименьший общий знаменатель.
Общая сетка для букв: каждая буква в наибольшей степени
Пусть знаменатели — $x$ и $x^2$. Размер долей зависит от $x$, поэтому подставим число. При $x=3$ первая полоса разрезана на $3$ доли, вторая — на $9$. Сетка из $9$ долей подходит обеим: $9$ делится на $3$. Разрезать на $27=3\cdot9$ долей можно, но незачем — это уже не наименьшая сетка.
Так же и с буквами: $x^2$ делится на $x$, поэтому наименьший общий знаменатель дробей $\frac{1}{x}$ и $\frac{1}{x^2}$ равен $x^2$, а не $x^3$. Дополнительный множитель первой дроби — $x$ (на него умножаем и числитель, и знаменатель), второй — $1$.
Правило
Наименьший общий знаменатель одночленов составляют так:
числовые коэффициенты — наименьшее общее кратное, как для чисел;
каждую букву берут в наибольшей из степеней, в которых она встречается в знаменателях.
Дополнительный множитель дроби — частное от деления общего знаменателя на ее знаменатель.
| Знаменатели | Наименьший общий знаменатель | Дополнительные множители |
|---|---|---|
| $x$ и $x^2$ | $x^2$ (не $x^3$) | $x$ и $1$ |
| $4y$ и $6y^2$ | $12y^2$ (не $24y^3$) | $3y$ и $2$ |
| $2a$ и $3b$ | $6ab$ | $3b$ и $2a$ |
| $x-3$ и $3-x$ | $x-3$ (не произведение) | $1$ и $-1$ |
Пример
Задача. Выполните вычитание: $\frac{3}{4y}-\frac{1}{6y^2}$.
Решение. Коэффициенты $4$ и $6$: наименьшее общее кратное $12$. Буква $y$ в наибольшей степени — $y^2$. Общий знаменатель $12y^2$.
Дополнительные множители: $12y^2:4y=3y$ и $12y^2:6y^2=2$. Умножаем на них числители:
$$\frac{3}{4y}-\frac{1}{6y^2}=\frac{3\cdot3y}{12y^2}-\frac{1\cdot2}{12y^2}=\frac{9y-2}{12y^2}$$
Проверка. При $y=1$: слева $\frac{3}{4}-\frac{1}{6}=\frac{9}{12}-\frac{2}{12}=\frac{7}{12}$, справа $\frac{9-2}{12}=\frac{7}{12}$. Совпало.
Ответ: $\frac{9y-2}{12y^2}$.
Знаменатель-многочлен: сначала разложить на множители
Вернемся к дробям из введения: $\frac{3}{x^2-4}+\frac{1}{x+2}$. Чтобы увидеть, из каких «полос» состоит сетка $x^2-4$, разложим его на множители по формуле разности квадратов из урока «Разность квадратов»: $x^2-4=(x-2)(x+2)$. Теперь видно: множитель $x+2$ уже есть в первом знаменателе. Значит, $(x-2)(x+2)$ делится и на $x^2-4$, и на $x+2$ — это и есть наименьший общий знаменатель.
Дополнительный множитель первой дроби — $1$, второй — $x-2$. Умножаем числитель второй дроби на $x-2$ и складываем числители.
Алгоритм
Шаг 1. Разложите знаменатели на множители (вынесите общий множитель, примените формулу).
Шаг 2. Составьте наименьший общий знаменатель: каждый множитель в наибольшей степени.
Шаг 3. Найдите дополнительный множитель каждой дроби и умножьте на него числитель.
Шаг 4. Сложите или вычтите числители; вычитаемый числитель — в скобках.
Шаг 5. Сократите результат и проверьте подстановкой числа.
Пример
Задача. Выполните сложение: $\frac{3}{x^2-4}+\frac{1}{x+2}$.
Шаг 1. $x^2-4=(x-2)(x+2)$; второй знаменатель $x+2$ уже не раскладывается.
Шаг 2. Общий знаменатель $(x-2)(x+2)$.
Шаг 3. Дополнительные множители: $1$ и $x-2$.
Шаг 4.
$$\frac{3}{(x-2)(x+2)}+\frac{1\cdot(x-2)}{(x-2)(x+2)}=\frac{3+x-2}{(x-2)(x+2)}=\frac{x+1}{(x-2)(x+2)}$$
Шаг 5. Числитель $x+1$ не имеет общих множителей со знаменателем — сокращать нечего. Проверка при $x=1$: слева $\frac{3}{1-4}+\frac{1}{3}=-1+\frac{1}{3}=-\frac{2}{3}$, справа $\frac{2}{(-1)\cdot3}=-\frac{2}{3}$. Совпало.
Ответ: $\frac{x+1}{(x-2)(x+2)}$.
Ошибка
Как ошибаются. Для $\frac{3}{x^2-4}+\frac{1}{x+2}$ берут общий знаменатель произведением $(x^2-4)(x+2)$, не разложив. Либо находят верный знаменатель $(x-2)(x+2)$, но дополнительный множитель $x-2$ записывают только под чертой: $\frac{3+1}{(x-2)(x+2)}=\frac{4}{(x-2)(x+2)}$.
Проверка на числах. При $x=1$ сумма равна $-\frac{2}{3}$ (пример выше). А дробь $\frac{4}{(x-2)(x+2)}$ при $x=1$ равна $\frac{4}{(-1)\cdot3}=-\frac{4}{3}$. Не совпало — значит, это не сумма.
Где ломается рассуждение. Умножить только знаменатель на $x-2$ — значит разрезать сетку мельче, а закраску оставить прежней: дробь уменьшилась в $x-2$ раз. По основному свойству на дополнительный множитель умножают и числитель, и знаменатель. А произведение $(x^2-4)(x+2)$ — сетка, в которой множитель $x+2$ взят дважды: ответ получится верным, но громоздким, и его придется сокращать.
Целое выражение — тоже дробь
Как вычесть $b-\frac{b^2}{b+1}$? У второго слагаемого есть знаменатель, у первого как будто нет. В модели целое выражение $b$ — это $b$ целых прямоугольников; каждый — одна доля из одной, поэтому $b=\frac{b}{1}$. Запишем $b=\frac{b}{1}$ — и перед нами две дроби с разными знаменателями $1$ и $b+1$.
Общий знаменатель — $b+1$ (он делится на $1$). Дополнительный множитель целого — весь знаменатель дроби: $b+1$. Умножаем на него числитель $b$.
Правило
Целое выражение складывают с дробью (или вычитают) как дробь со знаменателем $1$:
$$a+\frac{A}{B}=\frac{a\cdot B+A}{B},\qquad a-\frac{A}{B}=\frac{a\cdot B-A}{B}$$
Дополнительный множитель целого слагаемого — весь знаменатель $B$; числитель $A$ при вычитании берут в скобках.
Пример
Задача. Представьте в виде дроби: $b-\frac{b^2}{b+1}$.
Решение. $b=\frac{b}{1}$; общий знаменатель $b+1$; дополнительный множитель целого — $b+1$:
$$b-\frac{b^2}{b+1}=\frac{b(b+1)-b^2}{b+1}=\frac{b^2+b-b^2}{b+1}=\frac{b}{b+1}$$
Проверка. При $b=1$: слева $1-\frac{1}{2}=\frac{1}{2}$, справа $\frac{1}{2}$. Совпало. Если бы целое не умножили на $b+1$, получилось бы $\frac{b-b^2}{b+1}$, а это при $b=1$ равно $0$ — неверно.
Ответ: $\frac{b}{b+1}$.
После сложения: сократить и проверить
Сложение не заканчивается на общем знаменателе. Числитель результата может иметь общий множитель со знаменателем — тогда доли склеиваются обратно в более крупные, и дробь сокращается. Поэтому последний шаг алгоритма всегда один: сократить и проверить подстановкой.
Пример
Задача. Упростите $\frac{5}{a^2+5a}-\frac{1}{a}$.
Шаг 1. $a^2+5a=a(a+5)$ — вынесли общий множитель.
Шаг 2. Общий знаменатель $a(a+5)$: множитель $a$ в нем уже есть.
Шаг 3. Дополнительные множители: $1$ и $a+5$.
Шаг 4. Вычитаемый числитель — в скобках:
$$\frac{5}{a(a+5)}-\frac{1\cdot(a+5)}{a(a+5)}=\frac{5-(a+5)}{a(a+5)}=\frac{5-a-5}{a(a+5)}=\frac{-a}{a(a+5)}$$
Шаг 5. Сокращаем на $a$ и выносим минус перед дробью: $-\frac{1}{a+5}$. Проверка при $a=1$: слева $\frac{5}{6}-1=-\frac{1}{6}$, справа $-\frac{1}{6}$. Совпало.
Ответ: $-\frac{1}{a+5}$.
Пример
Задача. Упростите $\frac{4}{m-5}+\frac{m}{5-m}$.
Решение. Знаменатели противоположны: $5-m=-(m-5)$, поэтому общий знаменатель уже есть — $m-5$, перемножать не нужно. Выносим минус перед дробью:
$$\frac{4}{m-5}+\frac{m}{5-m}=\frac{4}{m-5}-\frac{m}{m-5}=\frac{4-m}{m-5}$$
Проверка. При $m=6$: слева $\frac{4}{1}+\frac{6}{-1}=-2$, справа $\frac{4-6}{1}=-2$. Совпало.
Ответ: $\frac{4-m}{m-5}$.
Теперь вопрос из введения. Пусть расстояние до поселка — $S$ км. Туда ехали $\frac{S}{90}$ ч, обратно — $\frac{S}{60}$ ч. Средняя скорость — это весь путь, деленный на все время, поэтому сначала сложим время:
$$\frac{S}{90}+\frac{S}{60}=\frac{2S}{180}+\frac{3S}{180}=\frac{5S}{180}=\frac{S}{36}$$
Общий знаменатель здесь $180$ (а не $90\cdot60=5400$), и в конце дробь сократилась на $5$. Весь путь $2S$ км проехали за $\frac{S}{36}$ ч, значит, средняя скорость равна $2S:\frac{S}{36}=2S\cdot\frac{36}{S}=72$ км/ч. Не $75$: на медленном участке автомобиль провел больше времени, и это время «тянет» среднюю скорость вниз. Ответ не зависит от $S$ — подставьте $S=180$: $2$ ч и $3$ ч, $360$ км за $5$ ч, те же $72$ км/ч.
| Шаг | Что делаем | В модели долей |
|---|---|---|
| 1 | Разложить знаменатели | Увидеть, из каких полос собрана сетка |
| 2 | Наименьший общий знаменатель | Общая сетка с наименьшим числом долей |
| 3 | Дополнительные множители — в числители | Мельче сетка — больше закрашенных долей |
| 4 | Сложить числители (вычитаемый — в скобках) | Сосчитать доли одного размера |
| 5 | Сократить, проверить подстановкой | Склеить доли обратно; сравнить с числами |
Вывод
Дроби с разными знаменателями — это доли разного размера, и сложить их можно только на общей сетке. Сетка должна быть наименьшей: для одночленов — каждая буква в наибольшей степени, для многочленов — сначала разложить и взять каждый множитель один раз. Переходя на мелкую сетку, умножаем на дополнительный множитель и знаменатель, и числитель; целое выражение — дробь со знаменателем $1$. В конце сокращаем и проверяем подстановкой числа. Этот прием понадобится сразу: в задачах на среднюю скорость и совместную работу, при упрощении выражений и в уравнениях с дробями.
Как вспомнить: «общая сетка — закраску тоже домножить — сосчитать — склеить обратно».
Часто задаваемые вопросы
Равенство действительно верное, но дробь выходит сократимой, а сокращать громоздкий числитель с буквами трудно и легко ошибиться. Для $\frac{1}{x}+\frac{1}{x^2}$ произведение дает $\frac{x^2+x}{x^3}$, а наименьший знаменатель $x^2$ — сразу несократимое $\frac{x+1}{x^2}$.
Разложите его на множители по корням, как в уроке «Корни квадратного трехчлена и разложение его на множители»: $x^2+5x+6=(x+2)(x+3)$. Дальше все как с разностью квадратов: общий знаменатель собирают из множителей, каждый берут один раз в наибольшей степени.
Перемножать их не нужно: $3-x=-(x-3)$, поэтому у дробей по сути один знаменатель. Вынесите минус перед второй дробью (или в ее числитель) и действуйте как с одинаковыми знаменателями.
Одна подстановка ловит ошибку, но не доказывает, что ошибок нет: при неудачном числе неверный ответ может случайно совпасть. Если сомневаетесь, подставьте второе число. И выбирайте то, при котором знаменатели не обращаются в нуль.
Минус перед дробью относится ко всему числителю. Без скобок меняется знак только у первого слагаемого: $5-(a+5)=-a$, а $5-a+5=10-a$ — это другое выражение. Проверка при $a=1$ сразу показывает разницу.
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