Выделение полного квадрата

Зачем выделять полный квадрат

Выделение полного квадрата — это преобразование квадратного выражения к виду \(a(x-m)^2+n\)

 

Такой вид сразу показывает:

 

• наименьшее или наибольшее значение выражения;
• координаты вершины параболы;
• количество корней квадратного уравнения;
• знак квадратного трёхчлена;
• удобный способ решения уравнения или неравенства;
• скрытую сумму квадратов в выражениях с несколькими переменными;
• центр и радиус окружности после преобразования её уравнения.

 

Главная идея основана на формулах:


\((a+b)^2=a^2+2ab+b^2,\)
\((a-b)^2=a^2-2ab+b^2\)

 

Нужно научиться узнавать первые два слагаемых квадрата и достраивать недостающее третье.

 

 

 

Основная формула

Рассмотрим выражение \(x^2+bx.\)

 

В квадрате \(\left(x+\dfrac b2\right)^2\) среднее слагаемое равно: \(2\cdot x\cdot\dfrac b2=bx.\)

 

Но при раскрытии скобок появляется дополнительное число: \(\left(x+\dfrac b2\right)^2 = x^2+bx+\dfrac{b^2}{4}.\)

 

Чтобы сохранить исходное выражение, это число нужно вычесть:

 

\(\boxed{
x^2+bx
=
\left(x+\dfrac b2\right)^2-\dfrac{b^2}{4}
}.\)

 

С постоянным слагаемым:


\(\boxed{
x^2+bx+c
=
\left(x+\dfrac b2\right)^2
+c-\dfrac{b^2}{4}
}.\)

 

Например:


\(x^2+6x+1
=
(x+3)^2-9+1
=
(x+3)^2-8.\)

 

 

 

Как правильно выбрать число в скобке

В выражении \(x^2+bx\) число в скобке равно половине коэффициента при \(x\):


\(x^2+bx
\longrightarrow
\left(x+\dfrac b2\right)^2.\)

 

Примеры: 

 

\(x^2+8x
=
(x+4)^2-16;\)
\(x^2-10x
=
(x-5)^2-25;\)
\(x^2+3x
=
\left(x+\dfrac32\right)^2-\dfrac94.\)

 

Нельзя помещать в скобку весь коэффициент при \(x\). Например:


\(x^2+6x\neq(x+6)^2.\)

 

Действительно:


\((x+6)^2=x^2+12x+36.\)

 

 

 

Если коэффициент при квадрате переменной не равен единице

Рассмотрим квадратный трёхчлен \(ax^2+bx+c,\) где \(a\neq0\). В этом разделе нас интересует случай \(a\neq1\).

 

Сначала выносим \(a\) из первых двух слагаемых:

 

\(ax^2+bx+c = a\left(x^2+\dfrac ba x\right)+c.\)

 

Теперь полный квадрат выделяем внутри большой скобки: 

 

\(x^2+\dfrac ba x
=
\left(x+\dfrac{b}{2a}\right)^2
-\dfrac{b^2}{4a^2}.\)

 

Подставляем это выражение обратно. Важно, что вся большая скобка по-прежнему умножается на \(a\):


\(ax^2+bx+c
=
a\left(
\left(x+\dfrac{b}{2a}\right)^2
-\dfrac{b^2}{4a^2}
\right)+c.\)

 

Только после этого умножаем каждое слагаемое в большой скобке на \(a\):


\(ax^2+bx+c
=
a\left(x+\dfrac{b}{2a}\right)^2
-
a\cdot\dfrac{b^2}{4a^2}
+c.\)

 

Сокращаем:


\(a\cdot\dfrac{b^2}{4a^2}
=
\dfrac{b^2}{4a}.\)

 

Получаем:


\(ax^2+bx+c
=
a\left(x+\dfrac{b}{2a}\right)^2
-\dfrac{b^2}{4a}+c.\)

 

Итоговая формула:


\(\boxed{
ax^2+bx+c
=
a\left(x+\dfrac{b}{2a}\right)^2
+c-\dfrac{b^2}{4a}
}.\)

 

Через дискриминант \(D=b^2-4ac\):


\(\boxed{
ax^2+bx+c
=
a\left(x+\dfrac{b}{2a}\right)^2
-\dfrac{D}{4a}
}.\)

 

Главное в этом случае: сначала выделить квадрат внутри скобки, а затем не забыть, что вся эта скобка умножается на \(a\).

 

 

Пошаговый алгоритм

Чтобы выделить полный квадрат в выражении \(ax^2+bx+c,\) нужно:

 

1. если \(a\neq1\), вынести \(a\) из первых двух слагаемых;


2. взять половину коэффициента при \(x\) внутри скобки;


3. записать квадрат двучлена;


4. вычесть появившийся лишний квадрат;


5. раскрыть внешний множитель;


6. привести постоянные слагаемые.

 

 

Связь с вершиной параболы

Если: \(f(x)=a(x-m)^2+n,\) то вершина параболы имеет координаты: \((m;n).\)

 

При \(a>0\) ветви направлены вверх, поэтому: \(f(x)\geqslant n.\)

 

Значение \(n\) является минимумом и достигается при \(x=m\).

 

При \(a<0\) ветви направлены вниз, поэтому: \(f(x)\leqslant n.\)

 

Значение \(n\) является максимумом и достигается при \(x=m\).

 

Для общего трёхчлена \(ax^2+bx+c\) абсцисса вершины: \(x_0=-\dfrac{b}{2a}.\)

 

 

Решение квадратных уравнений

После выделения квадрата уравнение часто принимает вид: \((x-m)^2=k.\)

 

Далее возможны три случая:

 

• при \(k<0\) действительных решений нет;


• при \(k=0\) имеется один корень \(x=m\);


• при \(k>0\): \(x-m=\pm\sqrt{k}.\)

 

Например:


\(x^2-6x+5=0,\)
\((x-3)^2-4=0,\)
\((x-3)^2=4,\)
\(x=1\) или \(x=5.\)

 

 

Решение неравенств

После выделения квадрата выражение часто можно разложить как разность квадратов, а затем решить получившееся неравенство методом интервалов.

 

Например: \(x^2-6x+8\leqslant0.\)

 

Выделяем квадрат: \((x-3)^2-1\leqslant0.\)

 

Используем разность квадратов:


\(\bigl((x-3)-1\bigr)\bigl((x-3)+1\bigr)\leqslant0,\)
\((x-4)(x-2)\leqslant0.\)

 

Корни множителей: \(x=2,\) \(x=4.\)

 

По методу интервалов произведение неположительно между корнями, включая сами корни:


\(\boxed{x\in[2;4]}.\)

 

 

Сумма квадратов

Выражения с несколькими переменными часто можно привести к сумме квадратов.

 

Например: \(x^2+y^2-4x+6y+13.\)

 

Группируем слагаемые: \((x^2-4x)+(y^2+6y)+13.\)

 

Выделяем квадраты: \((x-2)^2-4+(y+3)^2-9+13.\)

 

Получаем: \((x-2)^2+(y+3)^2.\)

 

Отсюда сразу видно: \(x^2+y^2-4x+6y+13\geqslant0.\)

 

Равенство нулю возможно только при: \(x=2,\) \(y=-3.\)

 

 

Последовательное выделение квадратов

Иногда переменные смешаны. Тогда квадрат выделяется по одной переменной, а оставшееся выражение преобразуется далее.

 

Например: \(x^2+2xy+2y^2-6x-8y+10.\)

 

Первые слагаемые удобно рассматривать как квадрат относительно \(x\):


\(x^2+2x(y-3)+2y^2-8y+10.\)

 

Выделяем квадрат:


\((x+y-3)^2-(y-3)^2+2y^2-8y+10.\)

 

Приводим оставшуюся часть:


\(-(y^2-6y+9)+2y^2-8y+10
=
y^2-2y+1
=
(y-1)^2.\)

 

Следовательно:


\(\boxed{
x^2+2xy+2y^2-6x-8y+10
=
(x+y-3)^2+(y-1)^2
}.\)

 

 

Параметры

Если коэффициенты зависят от параметра, выделение квадрата часто позволяет сразу определить количество корней или экстремум.

 

Например: \(x^2-2ax+a+3=0.\)

 

Выделяем квадрат:


\((x-a)^2-a^2+a+3=0,\)
\((x-a)^2=a^2-a-3.\)

 

Теперь количество корней зависит только от знака правой части:

 

• если \(a^2-a-3<0\), корней нет;
• если \(a^2-a-3=0\), один корень;
• если \(a^2-a-3>0\), два корня.

 

 

Связь с дискриминантом и количеством корней

Формула \(ax^2+bx+c
=
a\left(x+\dfrac{b}{2a}\right)^2
-\dfrac{D}{4a}\) позволяет увидеть смысл дискриминанта.

 

Рассмотрим уравнение \(ax^2+bx+c=0.\)

 

После выделения квадрата: \(a\left(x+\dfrac{b}{2a}\right)^2
=
\dfrac{D}{4a}.\)

 

Делим обе части на \(a\): \(\left(x+\dfrac{b}{2a}\right)^2
=
\dfrac{D}{4a^2}.\)

 

Левая часть неотрицательна, а \(4a^2>0\), поэтому количество действительных корней определяется знаком \(D\):

 

• если \(D<0\), действительных корней нет;
• если \(D=0\), имеется один корень;
• если \(D>0\), имеются два различных корня.

 

При \(D\geqslant0\) из этой же записи получается привычная формула корней:


\(x+\dfrac{b}{2a}
=
\pm\dfrac{\sqrt D}{2a},\) откуда \(\boxed{x=\dfrac{-b\pm\sqrt D}{2a}}.\)

 

Таким образом, формулу корней квадратного уравнения можно получить именно выделением полного квадрата.

 

 

Знак квадратного трёхчлена

Выделение квадрата позволяет быстро понять, может ли квадратный трёхчлен менять знак.

 

Например: \(x^2-6x+10
=
(x-3)^2+1.\)

 

Так как \((x-3)^2\geqslant0,\) то \(x^2-6x+10\geqslant1>0\) при любом действительном \(x\).

 

А выражение \(-x^2+4x-7
=
-(x-2)^2-3\) всегда отрицательно.

 

В общем случае особенно удобно смотреть на вид \(a(x-m)^2+n.\)

 

Если \(a>0\), наименьшее значение равно \(n\). Если \(a<0\), наибольшее значение равно \(n\).

 

 

Уравнение окружности

Выделение полного квадрата используется и в уравнениях окружности.

 

Стандартный вид окружности: \((x-a)^2+(y-b)^2=R^2,\) где точка \((a;b)\) является центром окружности, а \(R\) — её радиус.

 

Например: \(x^2+y^2-6x+8y+9=0.\)

 

Группируем: \((x^2-6x)+(y^2+8y)+9=0.\)

 

Выделяем квадраты: \((x-3)^2-9+(y+4)^2-16+9=0.\)

 

Получаем: \((x-3)^2+(y+4)^2=16.\)

 

Значит, центр окружности: \((3;-4),\) а радиус: \(R=4.\)

 

 

Полный квадрат из трёх слагаемых

Иногда нужно не выделять квадрат, а распознать уже готовый квадрат выражения с тремя слагаемыми.

 

Полезна формула: \((a+b+c)^2
=
a^2+b^2+c^2+2ab+2ac+2bc.\)

 

Знаки внутри скобки определяют знаки удвоенных произведений.

 

Например: \((x-y+2z)^2
=
x^2+y^2+4z^2-2xy+4xz-4yz.\)

 

Поэтому выражение \(x^2+y^2+4z^2-2xy+4xz-4yz\) сразу является полным квадратом: \((x-y+2z)^2.\)

 

 

Выделение квадрата относительно целого выражения

В роли переменной может выступать не только \(x\), но и более сложное выражение.

 

Например: \(x^4-6x^2+13.\)

 

Здесь удобно смотреть на \(x^2\) как на одно целое: \((x^2)^2-6x^2+13.\)

 

Выделяем квадрат: \(x^4-6x^2+13
=
(x^2-3)^2+4.\)

 

Отсюда сразу видно, что наименьшее значение равно \(4\). Оно достигается, когда \(x^2-3=0,\) то есть при \(x=\pm\sqrt3.\)

 

 

Разобранные примеры

 

Пример 1. Приведённый квадратный трёхчлен

 

Преобразуем: \(x^2+8x+3.\)

 

Половина коэффициента при \(x\) равна \(4\):


\(x^2+8x+3
=
(x+4)^2-16+3.\)

 

\(\boxed{x^2+8x+3=(x+4)^2-13}.\)

 

 

Пример 2. Дробное число в скобке

 

Преобразуем: \(x^2+3x-2.\)

 

\(x^2+3x
=
\left(x+\dfrac32\right)^2-\dfrac94.\)

 

Поэтому: \(x^2+3x-2
=
\left(x+\dfrac32\right)^2-\dfrac94-2
=
\left(x+\dfrac32\right)^2-\dfrac{17}{4}.\)

 

 

Пример 3. Старший коэффициент не равен единице

 

Преобразуем: \(2x^2-6x+7.\)

 

Выносим \(2\) из первых двух слагаемых: \(2x^2-6x+7
=
2(x^2-3x)+7.\)

 

Теперь выделяем квадрат внутри скобки: \(x^2-3x
=
\left(x-\dfrac32\right)^2-\dfrac94.\)

 

Подставляем это выражение обратно. Вся большая скобка умножается на \(2\):


\(2x^2-6x+7
=
2\left(
\left(x-\dfrac32\right)^2-\dfrac94
\right)+7.\)

 

Умножаем оба слагаемых в скобке на \(2\):


\(2x^2-6x+7
=
2\left(x-\dfrac32\right)^2
-\dfrac92+7.\)

 

Следовательно:


\(\boxed{
2x^2-6x+7
=
2\left(x-\dfrac32\right)^2+\dfrac52
}.\)

 

 

Пример 4. Отрицательный старший коэффициент

 

Преобразуем: \(-x^2+8x-5.\)

 

Выносим минус: \(-(x^2-8x)-5.\)

\(x^2-8x=(x-4)^2-16.\)

 

Поэтому:


\(-x^2+8x-5
=
-(x-4)^2+16-5
=
-(x-4)^2+11.\)

 

Отсюда сразу видно, что максимальное значение выражения равно \(11\) и достигается при \(x=4\).

 

 

Пример 5. Решение уравнения

 

Решим: \(2x^2+8x+6=0.\)

 

Делим на \(2\):


\(x^2+4x+3=0.\)

\((x+2)^2-1=0.\)

\((x+2)^2=1.\)

\(x+2=\pm1.\)

 

Ответ: \(x=-3,\) \(x=-1.\)

 

 

Пример 6. Минимум выражения

 

Найдём наименьшее значение: \(x^2-12x+40.\)

 

\(x^2-12x+40
=
(x-6)^2-36+40
=
(x-6)^2+4.\)

 

 

Поскольку: \((x-6)^2\geqslant0,\) имеем: \(x^2-12x+40\geqslant4.\)

 

Минимум равен \(4\) и достигается при \(x=6\).

 

 

Пример 7. Две переменные

 

Решим уравнение: \(x^2+y^2-4x+6y+13=0.\)

 

Преобразуем: \((x-2)^2+(y+3)^2=0.\)

 

Сумма двух неотрицательных чисел равна нулю только тогда, когда каждое из них равно нулю: \(x-2=0,\) \(y+3=0.\)

 

Ответ: \(x=2,\) \(y=-3.\)

 

 

Пример 8. Уравнение с параметром

 

Решим относительно \(x\):


\(x^2+2(a-1)x+a^2-2a-3=0.\)

 

Выделяем квадрат:


\((x+a-1)^2-4=0.\)

\((x+a-1)^2=4.\)

\(x+a-1=\pm2.\)

 

Ответ: \(x=3-a\) или \(x=-1-a.\)

 

 

 

Типичные ошибки

• брать в скобку весь коэффициент при \(x\), а не его половину;


• забывать вычесть квадрат добавленного числа;


• при \(a\neq1\) не выносить старший коэффициент;


• забывать умножить компенсационное слагаемое на внешний коэффициент;


• неправильно работать с минусом перед квадратным трёхчленом;


• считать, что квадрат может быть отрицательным;

 

 

 

Задачи для самостоятельной работы

Уровень 1. Основная техника

Выделите полный квадрат (в выражениях с параметром — относительно \(x\)):

 

1. \(x^2+8x+3\).


2. \(x^2-10x+1\).


3. \(x^2+3x-2\).


4. \(y^2-7y+4\).


5. \(x^2+2ax\).


6. \(x^2-2(a-3)x+5\).

 

 

Уровень 2. Неприведённые выражения

Выделите полный квадрат:

7. \(3x^2+12x-1\).


8. \(2x^2-6x+7\).


9. \(-x^2+8x-5\).


10. \(-2x^2-4x+3\).

 

11. Найдите координаты вершины параболы \(y=4x^2+4x+7.\)

 

 

Уровень 3. Уравнения, неравенства и экстремумы

Решите уравнения:

 

12. \(x^2-6x+5=0\).


13. \(2x^2+8x+6=0\).


14. \(x^2+4x+7=0\).

 

 

Решите неравенства:

 

15. \(x^2-6x+8\leqslant0\).


16. \(-x^2+4x+5>0\).

 

17. Найдите наименьшее значение выражения \(x^2-12x+40\) и значение \(x\), при котором оно достигается.

 

18. Найдите наибольшее значение выражения \(-2x^2+8x-3\) и значение \(x\), при котором оно достигается.

 

 

Уровень 4. Несколько переменных и скрытые квадраты

19. Докажите, что при всех действительных \(x\): \(x^2+6x+13>0.\)

 

20. Решите уравнение: \(x^2+y^2-4x+6y+13=0.\)

 

21. Найдите наименьшее значение выражения \(x^2+y^2-2x+4y+10\) и укажите все значения \(x\) и \(y\), при которых оно достигается.

 

22. Определите центр и радиус окружности: \(x^2+y^2-6x+8y+9=0.\)

 

23. Решите уравнение, используя выделение квадратов: \(x^2+2xy+2y^2-6x-8y+10=0.\)

 

24. Представьте выражение в виде квадрата: \(x^2+y^2+4z^2-2xy+4xz-4yz.\)

 

 

Уровень 5. Параметры и нестандартные применения

25. Найдите значение \(a\), при котором наименьшее значение выражения \(x^2-2(a+1)x+a^2+4a+7\) равно \(3\).

 

26. Решите уравнение относительно \(x\): \(x^2+2(a-1)x+a^2-2a-3=0.\)

 

27. Найдите наименьшее значение выражения \(x^4-6x^2+13\) и укажите все значения \(x\), при которых оно достигается.

 

 

 

Ответы

1.  \((x+4)^2-13.\)

2. \((x-5)^2-24.\)

3. \(\left(x+\dfrac32\right)^2-\dfrac{17}{4}.\)

4. \(\left(y-\dfrac72\right)^2-\dfrac{33}{4}.\)

5. \((x+a)^2-a^2.\)

6. \((x-a+3)^2+5-(a-3)^2.\)

7. \(3(x+2)^2-13.\)

8. \(2\left(x-\dfrac32\right)^2+\dfrac52.\)

9. \(-(x-4)^2+11.\)

10. \(-2(x+1)^2+5.\)

11. \(\left(-\dfrac12;6\right).\)

12. \(x=1,\) \(x=5.\)

13. \(x=-3,\) \(x=-1.\)

14. Действительных решений нет.

15. \(x\in[2;4].\)

16. \(x\in(-1;5).\)

17. Минимум \(4\) при \(x=6\).

18. Максимум \(5\) при \(x=2\).

19. \(x^2+6x+13=(x+3)^2+4>0.\)

20. \(x=2,\) \(y=-3.\)

21. Минимум \(5\) при
\(x=1,\) \(y=-2.\)

22. Центр \((3;-4)\), радиус \(4\).

23. \(x=2,\) \(y=1.\)

24. \((x-y+2z)^2.\)

25. \(a=-\dfrac32.\)

26. \(x=3-a\) или \(x=-1-a.\)

27. Минимум \(4\) при \(x=\pm\sqrt3.\)