ECUACIONES DE PRIMER Y SEGUNDO GRADO UNIDAD 7

ECUACIONES DE PRIMER Y SEGUNDO GRADO. UNIDAD 7 1

MAPA DE NAVEGACIÓN Ejercicios resueltos Problemas propuestos Soluciones Ecuaciones de primer y segundo grado Índice Objetivos específicos: Objetivo 1 Objetivo 2 Objetivo 3 Objetivo 4 Objetivo 5 Objetivo 6 Objetivo General Ejemplos

ÍNDICE OBJETIVO GENERAL OBJETIVOS ESPECÍFICOS EJERCICIOS RESULETOS PROBLEMAS PROPUESTOS SOLUCIONES 3

Objetivo General Al terminar esta Unidad resolverás ejercicios y problemas que involucren la solución de ecuaciones de primer grado y de segundo grado. Índice 4

OBJETIVOS ESPECÍFICOS Objetivo 1. - Recordarás a qué se llama ecuación condicional o ecuación; variable o incógnita; constante, y ecuación idéntica o identidad. Objetivo 2. - Recordarás a qué se llama solución o raíz de una ecuación, conjunto de soluciones de una ecuación, ecuaciones equivalentes, ecuaciones de primer grado y ecuaciones de segundo grado. Objetivo 3. - Recordarás las propiedades de las igualdades para las cuatro operaciones básicas y las utilizarás para resolver una ecuación transformándola en una ecuación equivalente. Objetivo 4. - Resolverás ecuaciones de primer grado. Objetivo 5. - Resolverás ecuaciones de segundo grado por el método de factorización. Objetivo 6. -Identificarás el discriminante de una ecuación de segundo grado y resolverás ecuaciones de segundo grado mediante la fórmula general. 5

Objetivo 1 Recordarás a qué se llama ecuación condicional o ecuación; variable o incógnita; constante, y ecuación idéntica o identidad. 6

Se llama ecuación a una proposición algebraica que establece la igualdad entre dos expresiones a las que se llama miembros de la ecuación. En una ecuación hay una o más cantidades desconocidas llamadas variables o incógnitas y números llamados constantes. 7

Una ecuación que se satisface para todos los valores de las variables para los que están definidos ambos miembros de la ecuación, se llama ecuación idéntica o identidad. En una identidad es común sustituir el signo ( = ) por el símbolo ( ) que se lee “idéntico a”. 8

Ejemplos 1) Como se puede observar, la igualdad es cierta para cualquier valor de a, b ε R puesto que el segundo miembro es el desarrollo del cuadrado del binomio del primer miembro. 9

2) ; x ≠ – 1 La división algebraica de la fracción del primer miembro da como resultado un cociente de y un residuo de 1: 10

______ +1 Por ello, la ecuación propuesta es una identidad para todos los valores de x, excepto para , debido a que este valor produce un cero en el denominador de los dos miembros de la ecuación. En estos casos se dice que cada miembro de la ecuación es indefinido para . 11

Una ecuación condicional, o simplemente una ecuación, es una igualdad que resulta verdadera solamente para alguno o algunos valores de las variables. 12

Ejemplos 1) En este caso la igualdad se cumple únicamente cuando Cualquier otro valor de la variable x hace que la proposición sea falsa. 13

2) Esta igualdad es verdadera para un número infinito de pares de valores de x y de y, pero no para cualquier par de valores. Por ejemplo, se cumple para x=5, y=5 ; para x=0, y=10 ; para x=14, y=-4, etcétera; pero no se cumple para x=5, y=4 ; x=0, y=12; x=14, y=-3 etcétera. 14

3) Esta proposición es verdadera tanto cuando x=2 como cuando x=1. Objetivos Específico s 15

Objetivo 2 Recordarás a qué se llama solución o raíz de una ecuación, conjunto de soluciones de una ecuación, ecuaciones equivalentes, ecuaciones de primer grado y ecuaciones de segundo grado. 16

a) Si una ecuación se convierte en identidad para algunos valores de las variables, se dice que la ecuación se satisface para dichos valores. Los valores de las variables que satisfacen a la ecuación se llaman solución o raíz de la ecuación, y cuando hay más de una solución, a la totalidad de ellas se le llama conjunto de soluciones. b) Resolver una ecuación significa encontrar su conjunto de soluciones. 17

Ejemplos En los siguientes ejercicios, donde x ε R, se encuentra el conjunto de soluciones y se indica el número de elementos de dicho conjunto. 18

Se prueba para diferentes valores de x si se encuentra(n) alguno(s) para los que la igualdad se cumple, por ejemplo, para 19

Para : Puesto que la ecuación se satisface para , y sólo para este valor, la solución o raíz es única y el conjunto de soluciones de la ecuación es {4}. 20

2) Nuevamente al hacer la sustitución directa para diferentes valores de x de entre los números enteros, se obtiene que la ecuación se satisface para y para . Por lo tanto, su conjunto de soluciones tiene dos elementos: {– 2, 2} 21

3) Para esta ecuación no existe número real alguno que la satisfaga ya que tanto como hacen que el primer miembro sea igual a 18 y no a cero. En este caso no existe solución en R por lo que el conjunto solución es vacío: φ 22

4) Se observa que la ecuación propuesta es una identidad porque el segundo miembro es el desarrollo del binomio cuadrado del primer miembro: el cuadrado del primero menos el doble producto del primero por el segundo más el cuadrado del segundo. Recordando el contenido del objetivo 1, se cumple para todo valor de x en el conjunto de los números reales por lo tanto, su conjunto solución es {x / x ε R} y su número de elementos es ∞ 23

5. ) Como en el ejemplo 2. ) esta ecuación tiene dos raíces: x = 2 y x = – 2, de modo que su conjunto de soluciones tiene dos elementos: {– 2, 2}. � En los ejemplos 2 y 5 el conjunto de soluciones de la ecuación que se analizó en cada uno es el mismo: {– 2, 2}. Se dice que dos ecuaciones son equivalentes si tienen el mismo conjunto de soluciones. 24

Al igual que un polinomio, el grado de una ecuación con una variable, es el mayor exponente al que se encuentra elevada la incógnita en alguno de los miembros de la ecuación. 25

Ejemplos 1) El grado de la ecuación es 1, puesto que en los dos miembros de la ecuación el mayor exponente al que se encuentra elevada la variable x es 1. 26

2) La ecuación es de grado 3 porque es la mayor potencia a la que aparece elevada la variable y en el segundo miembro. 27

3) Para determinar el grado de la ecuación Se analiza la expresión y al recordar que al elevar un exponente a otra potencia los exponentes se multiplican, entonces, en el primer término la variable otros términos: y en los y . Por lo tanto, el grado de la ecuación es 6. 28

Las ecuaciones de grado uno, o de primer grado, se llaman también ecuaciones lineales; las ecuaciones de grado dos, o de segundo grado, se llaman también ecuaciones cuadráticas. 29

Ejemplos 1) Las siguientes expresiones son ejemplos de una ecuación de primer grado o lineal: a) La variable tiene exponente 1 en el único término en que aparece. b) La variable z aparece en los miembros de la ecuación, pero en ambos su exponente es 1 y por los productos indicados no puede variar. 30

c) Como en el ejemplo anterior, x tiene exponente 1 en los términos en que aparece y no puede modificarse por las operaciones involucradas. d) , y≠ 0 En el siguiente objetivo se recordará cómo se resuelve una ecuación; mientras tanto, se observa que al multiplicar ambos miembros de la ecuación por la variable y, se obtiene la ecuación equivalente: que es una ecuación de primer grado. 31

e) Aunque a primera vista la ecuación parece de segundo grado, en este caso el numerador es una diferencia de cuadrados cuya factorización es la suma por la diferencia de las bases; como el denominador es la suma de las bases, el primer miembro de la ecuación se simplifica como: por lo que la ecuación es equivalente a la ecuación que es de grado uno. 32

2) Las siguientes expresiones corresponden a ecuaciones de segundo grado o cuadráticas a) El primer miembro tiene a la variable elevada a la segunda potencia y no existe otro término con el que pudiera eliminarse. b) El producto de los binomios en el primer miembro de la ecuación da como resultado un término en , por lo tanto la ecuación es de segundo grado o cuadrática. 33

c) Cuando se eleva al cuadrado el binomio del primer miembro se tiene miembro aparece también , sin embargo en el segundo con el mismo signo, por lo que al transponerse se cancelan y el mayor exponente de x es 2, tanto en el primero como en el segundo miembro. d) ; x≠ 0 Como ya se indicó en el ejemplo 1 inciso d), al multiplicar los dos miembros de la ecuación por la variable x se obtiene la ecuación equivalente: que es una ecuación cuadrática por el producto que aparece en el segundo miembro. Objetivos Específic os 34

Objetivo 3 Recordarás las propiedades de las igualdades para las cuatro operaciones básicas y las utilizarás para resolver una ecuación transformándola en una ecuación equivalente. 35

Uno de los métodos que se emplean para resolver una ecuación consiste en derivar de ella una serie de ecuaciones equivalentes, cada una más sencilla que la anterior, hasta llegar a una cuya conjunto de soluciones es obvio. 36

Las operaciones que pueden efectuarse en una ecuación dada para obtener una equivalente, se derivan de las propiedades de las igualdades para la adición, la sustracción, la multiplicación y la división, que pueden resumirse como sigue: Si p=q es una ecuación, con p y q expresiones algebraicas en x, y si r es otra expresión algebraica en x, y k es una constante diferente de cero entonces: 37

a) Si se suma o se resta la misma expresión r a ambos miembros de la ecuación, la ecuación que resulta es equivalente a la dada: es equivalente a y también b) Si ambos miembros de la ecuación se multiplican por, o se dividen entre la misma constante no nula, la ecuación resultante es equivalente a la dada: es equivalente a para k ≠ 0 , y también 38

En el proceso de solución de una ecuación se aplican estas propiedades tantas veces como sea necesario, hasta obtener la o las raíces de la ecuación. Debe notarse que, mientras en a) se menciona la “expresión r”, que puede ser una constante o un polinomio, en el caso b) K es una “constante no nula”, y se restringe a ello porque si se multiplica o divide una ecuación por una expresión que contiene una variable, la ecuación que resulta puede o no ser equivalente a la original. Cuando no es equivalente puede ocurrir que, o bien se obtenga una raíz extraña (porque no corresponde a la ecuación original), o que se pierda una raíz de la ecuación original. Un caso de cada una de estas situaciones se analizan en los siguientes ejemplos. 39

Ejemplos 1) La ecuación se resuelve transformándola en una ecuación equivalente más sencilla. Para determinar el valor de la incógnita se debe obtener una sucesión de ecuaciones equivalentes a la original cada vez más sencillas hasta “despejar” a x. Para esta ecuación se necesita aplicar el principio de la suma de una expresión a los dos miembros eligiendo , con la cual todos los términos en x estarán en el primer miembro y todos los términos constantes en el segundo: 40

Ahora se suman los términos semejantes en cada miembro de la ecuación y se obtiene: que como se ve, es una ecuación mucho más sencilla en la que se puede determinar el valor de x fácilmente. Si ahora se aplica el principio de dividir los dos miembros de la ecuación por una constante diferente de cero, , se encuentra el valor de x: ; donde 41

Es importante comprobar que efectivamente este valor es la solución o raíz de la ecuación original, y esto se hace sustituyendo dicho valor en ella: 100+20 = 40 + 80 120 = 120. Entonces x = 20 es la solución o raíz de la ecuación propuesta 42

2) Para determinar la raíz de la ecuación ; se encuentra una sucesión de ecuaciones equivalentes a ella. Lo primero que se debe hacer es buscar cómo “eliminar” los denominadores para obtener una ecuación equivalente más sencilla. Como en dos fracciones el divisor es la variable x y en los otros dos, 10 es múltiplo de 5, el factor por el que conviene multiplicar la ecuación es . Esta situación corresponde al inciso b) y es un ejemplo de cuando sí es posible obtener una ecuación equivalente a la dada multiplicando toda la ecuación por una expresión; como se tiene la condición , entonces 43

El producto que se debe efectuar es: queda como: Todas las fracciones que resultaron tienen alguna simplificación posible, con lo que la ecuación equivalente es más sencilla que la original: Ahora, como en el ejemplo 1. ), se suma a los dos miembros de la ecuación la expresión y se reducen términos semejantes: 44

Para obtener el valor de x es necesario hacer y multiplicar los dos miembros de la ecuación por esta constante, con lo cual se obtiene: Finalmente, se comprueba la validez de la solución sustituyendo el valor de x en la ecuación original: 45

3) Si se aplica el principio de igualdad para la suma o el principio de igualdad de la división a la ecuación , la ecuación que se obtiene es, en un caso equivalente, y en el otro no. Se aplica primero el principio de igualdad de la suma de una expresión. Para ello se suman en ambos miembros la expresión Y al tomar el factor común se obtiene 46

Esta ecuación tiene dos raíces: y ya que con cada uno de estos valores el primer miembro se hace cero y la ecuación se satisface; el conjunto de soluciones de la ecuación original es {2, 3} 47

Ahora si se aplicara sin restricciones el principio de igualdad para la división, al observa en ambos miembros es si se divide la ecuación por este factor común para que el denominado no se anule se obtiene la siguiente ecuación: 48

que al simplificar resulta Entonces, dividiendo la ecuación por el factor común únicamente se tiene una solución: , mientras que la ecuación original tiene 2 raíces: y . Este es un ejemplo de cuando la división por una expresión que contiene a la variable puede conducir a ecuaciones no equivalentes (también llamadas defectuosas) y perder raíces válidas, como en este caso, 49

4) Dada la ecuación , cuya raíz es 4, si se elevan al cuadrado los dos miembros de la igualdad ( es decir al multiplicar ambos miembros por el factor ) se obtiene la ecuación , que tiene por raíces y La operación que se hizo introdujo lo que se llama una raíz extraña que es Objetivos Específic os 50

Objetivo 4 Resolverás ecuaciones de primer grado. 51

La aplicación de las propiedades de la igualdad para las operaciones básicas, que permiten obtener ecuaciones equivalentes cada vez más simples para llegar a la solución de una ecuación dada, se sintetiza en las siguientes reglas y procedimientos: 52

Regla de transposición de términos. Cualquier término puede transponerse de un miembro a otro de la igualdad con la condición de que cambie su signo. 53

Es posible cambiar los signos de todos los términos de una ecuación sin que esta varíe, porque equivale a multiplicar por – 1 los dos miembros de la ecuación 54

Para resolver una ecuación de primer grado con una incógnita es conveniente aplicar el siguiente proceso: Paso 1. Efectuar las operaciones indicadas, si las hay. Paso 2. Transponer los términos de manera que en un miembro aparezcan todos los que contienen a la incógnita y en el otro todas las cantidades conocidas. 55

Paso 3. Reducir términos semejantes en cada miembro. Paso 4. Despejar la incógnita dividiendo ambos miembros de la ecuación por el coeficiente de la incógnita. Paso 5. Verificar que la solución obtenida satisface la ecuación original. 56

Ejemplos 1) Se aplica el proceso de solución mencionado para resolver la ecuación: 57

Paso 1. Efectuar las operaciones indicadas. En cada uno de los miembros de la ecuación existe una operación indicada por el paréntesis; si se efectúa el producto la ecuación queda como: 58

Paso 2. Transponer los términos de manera que en un miembro aparezcan todos los que contienen a la incógnita y en el otro todas las cantidades conocidas. Los dos términos que contienen a la variable x se reacomodan en el primer miembro y los cuatro términos constantes se pasan al segundo. 59

Conviene recordar que a cada término que se trasponga debe cambiársele el signo (con ello se están aplicando implícitamente las propiedades de la igualdad para la suma y la resta): 60

Paso 3. Reducir términos semejantes en cada miembro: 61

Paso 4. Despejar la incógnita dividiendo ambos miembros de la ecuación por el coeficiente de la incógnita. (Con ello se aplica la propiedad de la igualdad para la división). El coeficiente de x es 2, por lo tanto, la ecuación equivalente que se obtiene de la que se obtiene directamente el valor de x: 62

Paso 5. Verificar que la solución obtenida satisface a la ecuación dada: 63

2. - ; Paso 1. Efectuar las operaciones indicadas. Toda ecuación con fracciones requiere suprimir los denominadores y después efectuar las operaciones que resulten. Se observan los denominadores de cada fracción: el primero es la diferencia de los cuadrados de x y de 1, y el otro es la diferencia de estos. En la unidad de productos y cocientes notables se revisó que la diferencia de cuadrados es igual a la suma por la diferencia de las bases, en este caso: 64

de modo que el denominador del segundo cociente es uno de los factores del primer denominador. Entonces, para suprimir los denominadores se debe multiplicar por el máximo común múltiplo (m. c. m. ) que es precisamente la diferencia de cuadrados: 65

El producto en cada miembro de la ecuación da por resultado la ecuación equivalente: 66

Paso 2. Transponer los términos para reunir a todos los que contienen a la incógnita en el primer miembro y a las constantes en el otro. Es necesario recordar que al pasar un término de un miembro a otro se debe cambiar de signo Paso 3. Reducir términos semejantes en cada miembro. 67

Paso 4. Despejar la incógnita dividiendo ambos miembros de la ecuación por el coeficiente de la incógnita. En este caso el coeficiente de la incógnita es – 1, por lo que se multiplican ambos miembros de la ecuación por – 1 para obtener (El mismo resultado se obtiene si se dividen los dos miembros de la ecuación por – 1). 68

Paso 5. Verificar que la solución obtenida satisface la ecuación original. que es cierta. 69

3. Paso 1. Para quitar los denominadores se debe multiplicar por el m. c. m. de los tres que en este caso es. 70

Paso 2. Se dejan en el primer miembro los términos que contienen a la incógnita y en el segundo todos los demás, cambiando el signo a los que se transponen: Paso 3. Se reducen términos semejantes: 71

Paso 4. Se despeja la incógnita: Paso 5. Se verifica la solución obtenida: La solución es correcta. 72

Objetivo 5 Resolverás ecuaciones de segundo grado por el método de factorización.

Como se recordará, la ecuación general de segundo grado tiene la siguiente estructura: Si la ecuación dada tiene solución en el conjunto de los números reales, tendrá dos raíces, y sólo dos, que pueden ser diferentes o iguales. Si las raíces no son un número real, la solución estará dada por dos valores diferentes del conjunto de los números complejos. 74

Cuando la ecuación es fácilmente factorizable, sus raíces se obtienen efectuando esta operación y aplicando el teorema que establece que si a, b ε R y ab = 0, entonces o . 75

Ejemplos: 1. En la unidad de factorización se recordó que para factorizar un trinomio de la forma , con , se buscan dos números que multiplicados den y sumados ; se sustituye por estos números en la expresión y se factoriza por agrupación. Para la ecuación dada: , por lo que 76

Entonces se deben buscar dos números que multiplicados den – 24 y sumados 5. 24 se obtiene al multiplicar 24 x 1; 12 x 2; 8 x 3 y 6 x 4, y como ac = – 24, uno de los factores deberá ser positivo y el otro negativo. De estos pares de números solamente 8 y 3 pueden sumar + 5 si 8 es positivo y 3 es negativo. 77

Ahora se sustituye el término por ( ) y se factoriza por agrupación: Entonces o Si 78

Si ; las dos raíces de la ecuación son y , resultado que debe comprobarse. Para : : Esta raíz satisface a la ecuación. Para : : La segunda raíz también satisface la ecuación, por lo tanto la solución es correcta. 79

2. - Los dos números que se buscan deben tener un producto de y una suma de (– 7): 60 puede ser: 20 x 3; 12 x 5; 10 x 6. De estas posibilidades, sólo 12 y 5 pueden sumarse algebraicamente para obtener (– 7): Estas cantidades se sustituyen en lugar de (– 7 x) y se factoriza por agrupación de términos semejantes: Ahora se pueden determinar fácilmente las raíces de la ecuación: 80

, Si Si Finalmente deben comprobarse los resultados sustituyendo cada solución: Para Esta raíz satisface a la ecuación. Para : La solución correcta Índice 81

Objetivo 6 Identificarás el discriminante de una ecuación de segundo grado y resolverás ecuaciones de segundo grado mediante la fórmula general

Para encontrar las dos raíces de una ecuación de segundo grado conviene aplicar las fórmulas: y las raíces de una ecuación cuadrática son dos, y sólo dos, que pueden ser diferentes o iguales, reales o complejas. El carácter de estas raíces depende del binomio en el radicando: , por lo que también recibe el nombre de discriminante de la ecuación general de segundo grado. El resultado de este binomio puede ser: 83

1. Positivo: >0. En este caso las raíces de la ecuación serán reales y diferentes. 2. Nulo: = 0. Puesto que el radical se anula, las raíces serán reales e iguales y su valor 3. Negativo: < 0. En el conjunto de los números reales no existen raíces cuadradas de números negativos; por lo tanto, si el radicando es negativo, las raíces son imaginarias y desiguales. 84

Ejemplos: 1. Como la ecuación se encuentra ya expresada en la forma general, todo lo que se necesita para determinar qué tipo de raíces tiene es identificar el valor de los coeficientes a, b y c y evaluar el discriminante. Las constantes son El discriminante tiene un valor de: = = Corresponde al primer tipo, por lo que las raíces de la ecuación son reales y desiguales. 85

2. Para tener la ecuación expresada en la forma general (en el primer miembro un solo término en , otro en x y un término independiente, e igualada a cero), se deben realizar las operaciones indicadas por los paréntesis: Ahora se trasponen todos los términos al primer miembro y se iguala a cero: Luego se reducen términos semejantes: 86

La ecuación está ya en la forma general, donde y el discriminante: = (– 5)2 – 4(2)(11) = 25 – 88 = – 63 < 0 Por lo tanto las raíces de la ecuación propuesta son imaginarias y diferentes. 3. ) Se eliminan los paréntesis realizando los productos indicados: Se iguala a cero pasando todos los términos al primer miembro; 87

Se reducen términos semejantes: Ahora y el discriminante tiene un valor de: = (8)2 – 4(– 2)( – 8) = 64 – 64 = 0 Las raíces son reales e iguales. 4. - En este ejemplo se determina el valor de k para que las dos raíces de la ecuación sean iguales. Como es señalado, para que las dos raíces de una ecuación cuadrática sean iguales, el discriminante debe ser igual a cero, es decir 88

En la ecuación propuesta ; , y . Para encontrar el valor de k se deben sustituir estos valores en la fórmula del discriminante y despejar a la incógnita que es precisamente k: Comprobación ; 36 – 36 =0 El discriminante por lo que la ecuación iguales. tiene dos raíces reales e 89

Ejemplos: 1 -) Paso 1. Efectuar las operaciones indicadas: Paso 2. Trasponer todos los términos al primer miembro e igualar a cero: Paso 3. Reducir términos semejantes: Paso 4. Aplicar las fórmulas para resolver la ecuación: = 90

= = = Comprobación La ecuación original es equivalente a Para Entonces Para es solución de la ecuación. también satisface a la ecuación 91

2. ) Para resolver la ecuación como la variable es x, (m es un parámetro, es decir una constante que puede tomar diferentes valores) la ecuación ya está expresada en la forma general, donde: ; ; Las raíces de la ecuación están dadas por: y Para encontrar el valor de las raíces, se efectúan primero las operaciones dentro del radical: = 92

El radicando es el desarrollo del cuadrado del binomio por lo que = = = Y la segunda raíz: = El discriminante es el mismo para ambas raíces, de modo que = = 93

: Comprobación Para = satisface a la ecuación. Para también es solución de la ecuación. 94

3. ) Para encontrar dos números tales que su suma es 9 y la suma de sus cuadrados es 53 se plantea la siguiente ecuación: Sean x y y los dos números, entonces, y Para tener una sola ecuación con una variable, se despeja a y de la primera ecuación: y se sustituye este valor en la ecuación Se eleva el binomio al cuadrado y se reducen términos semejantes: 95

La ecuación que se debe resolver para encontrar los dos números es Para aplicar las fórmulas: = = = = Como se puede comprobar: 7 + 2 = 9 y ( 7 )2 + ( 2 )2 = 49 + 4 = 53 Y en la ecuación: = 98 – 126 +28 = 0 = 8 – 36 + 28 = 0 Las dos raíces satisfacen a la ecuación que se obtuvo del planteamiento. índice 96