Puteri și radicali – teorie, formule și exemple rezolvate
Subiectul I – Algebră. Mulțimile de numere, puterile cu exponent întreg și rațional, radicalii (condiții de existență, proprietăți, raționalizare) și inegalitatea mediilor, cu exemple rezolvate.
2.1Mulțimi de numere – recapitulare
\(\mathbb{N}=\{0,1,2,\dots\}\) – numere naturale
\(\mathbb{Z}=\{\dots,-1,0,1,\dots\}\) – numere întregi
\(\mathbb{Q}=\left\{\frac{a}{b}\ \middle|\ a\in\mathbb{Z},\ b\in\mathbb{Z}^*\right\}\) – numere raționale (fracții, zecimale finite sau periodice)
\(\mathbb{R}\setminus\mathbb{Q}\) – numere iraționale (\(\sqrt{2},\ \sqrt[3]{5},\ \pi,\ e,\ \lg 3\))
2.2Puteri cu exponent natural și întreg
Definiție
Pentru \(a\in\mathbb{R}\) și \(n\in\mathbb{N}^*\):
\[a^n=\underbrace{a\cdot a\cdot\ldots\cdot a}_{n\text{ factori}},\qquad a^1=a,\qquad a^0=1\ (a\ne0),\qquad a^{-n}=\dfrac{1}{a^n}\ (a\ne0).\]
Expresia \(0^0\) nu are sens.
Proprietățile puterilor (\(a,b\gt0\) sau exponenți întregi cu baze nenule):
1. \(a^m\cdot a^n=a^{m+n}\)2. \(\dfrac{a^m}{a^n}=a^{m-n}\)3. \((a^m)^n=a^{m\cdot n}\)
4. \((a\cdot b)^n=a^n\cdot b^n\)5. \(\left(\dfrac{a}{b}\right)^n=\dfrac{a^n}{b^n}\)6. \(\left(\dfrac{a}{b}\right)^{-n}=\left(\dfrac{b}{a}\right)^n\)
7. \(a^{\frac{m}{n}}=\sqrt[n]{a^m}\)8. \(a^{-1}=\dfrac{1}{a}\)9. \((-a)^{2k}=a^{2k},\ (-a)^{2k+1}=-a^{2k+1}\)
Exemplul 2.1
Rezolvare
Exemplul 2.2
Rezolvare
2.3Radicali
Condiții de existență
Radical de ordin par \(\sqrt[2k]{E(x)}\)
există numai dacă \(E(x)\ge0\);
rezultatul este \(\ge0\).
Radical de ordin impar \(\sqrt[2k+1]{E(x)}\)
există pentru orice \(E(x)\in\mathbb{R}\);
rezultatul are semnul lui \(E(x)\).
\[\sqrt{a^2}=|a|,\qquad \sqrt[3]{a^3}=a,\qquad \sqrt[2k]{a^{2k}}=|a|,\qquad \sqrt[2k+1]{a^{2k+1}}=a\]
Proprietățile radicalilor (\(a,b\ge0\), respectiv \(b\gt0\) la împărțire):
1. \(\sqrt{a}\cdot\sqrt{b}=\sqrt{ab}\)2. \(\dfrac{\sqrt{a}}{\sqrt{b}}=\sqrt{\dfrac{a}{b}}\)3. \((\sqrt{a})^2=a\)
4. \(\sqrt[n]{a}\cdot\sqrt[n]{b}=\sqrt[n]{ab}\)5. \(\sqrt[n]{\sqrt[m]{a}}=\sqrt[mn]{a}\)6. \(\sqrt[n]{a^m}=a^{\frac{m}{n}}\)
7. \(\sqrt[n]{a^m}=\sqrt[nk]{a^{mk}}\)8. \(a\sqrt{b}=\sqrt{a^2b}\ (a\ge0)\)9. \(\sqrt[3]{a}\cdot\sqrt[3]{b}=\sqrt[3]{ab}\)
Raționalizarea numitorului
\[\dfrac{1}{\sqrt{a}}=\dfrac{\sqrt{a}}{a},\qquad \dfrac{c}{\sqrt{a}\pm\sqrt{b}}=\dfrac{c(\sqrt{a}\mp\sqrt{b})}{a-b},\qquad \dfrac{c}{\sqrt[3]{a}}=\dfrac{c\sqrt[3]{a^2}}{a}\]
Expresiile \(\sqrt{a}+\sqrt{b}\) și \(\sqrt{a}-\sqrt{b}\) se numesc conjugate.
Exemplul 2.3
Rezolvare
Exemplul 2.4
Rezolvare
Exemplul 2.5
Rezolvare
\(\sqrt{(\sqrt{3}-2)^2}=|\sqrt{3}-2|=2-\sqrt{3}\), deoarece \(\sqrt{3}\lt2\). Atunci
\[a=2-\sqrt{3}+\sqrt{3}=2\in\mathbb{N}.\]
Greșeala nr. 1 la examen
\(\sqrt{a^2}\ne a\), ci \(\sqrt{a^2}=|a|\). La fel, \(\sqrt{a+b}\ne\sqrt{a}+\sqrt{b}\) și \((a+b)^2\ne a^2+b^2\).
2.4Media aritmetică, geometrică, armonică
Pentru \(a,b\gt0\):
\(m_a=\dfrac{a+b}{2}\)\(m_g=\sqrt{ab}\)\(m_h=\dfrac{2ab}{a+b}\)\(\boxed{m_h\le m_g\le m_a}\)
cu egalitate dacă și numai dacă \(a=b\). În particular \(a+\dfrac{1}{a}\ge2,\ \forall\, a\gt0\).
Exemplul 2.6
Rezolvare
Capitol din culegerea Formule esențiale – clasele IX–XII, Bacalaureat, autor prof. Andrei Dobre (Math Academy®).