Matematyka dla liceum/Funkcja liniowa

Z Wikibooks, biblioteki wolnych podręczników.

Spis treści

[edytuj] Funkcja liniowa

[edytuj] Wstęp

Co zawiera dział
Czytelnik pozna następujące informacje: co to jest i jakie ma własności funkcja liniowa oraz jej wykres. Jak się rozwiązuje równania liniowe. Jak rozwiązać nierówność. Przypadek dwóch niewiadomych w równości liniowej. Układ równań i jakimi metodami można go rozwiązać. Zastosowanie macierzy w rozwiązywaniu układu równań. Jak poradzić sobie z parametrem w równaniu. W zadaniach pojawią się przykłady zadań tekstowych i sposób ich zapisu w postaci funkcji liniowej.


Zakres programowy

a) wykres funkcji liniowej,
b) wzór funkcji liniowej pozyskany z zadanych własności,
c) rozwiązanie równania i nierówności liniowej z jedną niewiadomą,
d) określenie liczby rozwiązań równania liniowego z jedną niewiadomą,
e) rozwiązanie zadań tekstowych prowadzących do równań i nierówności liniowych z jedną niewiadomą,
f) rozwiązanie algebraicznie i graficznie układu równań liniowych z dwiema niewiadomymi,
g) rozwiązanie zadania tekstowego prowadzącego do układu równań liniowych z dwiema niewiadomymi


Z zakresu programowego odeszło:

h) (R) rozwiązanie układu trzech równań liniowych z trzema niewiadomymi,
i) (R) rozwiązanie układu dwóch równań liniowych z parametrem (w tym określenie liczby rozwiązań układu w zależności od parametru)

[edytuj] Informacje bazowe

Definicja

Definicja
DEFINICJA

Funkcję  \mathbf{f(x)=ax+b}\ , gdzie  a,b,x \in \mathbb{R} nazywamy funkcją liniową.

Funkcja liniowa f, zapis:

f(x)=ax+b \,  lub  y=ax+b\,   lub też   f\!\!: y=ax+b\,

gdzie a jest współczynnikiem kierunkowym, b wyrazem stałym.


Przykładowe funkcje liniowe

  •  y = -4x+1 \,
  •  y = x \,
  •  f(x)=6 \,   - funkcja stała
  •  f(x)=\frac{3}{2}x
  •  f(x)=5x+7 \,


Przykłady
Podać wzór funkcji liniowej na podstawie własności

  • Funkcja f przecina oś OX w punkcie -3, czyli (-3,0), natomiast oś OY w punkcie 3, czyli (0, 3). Znajdź wzór tej funkcji.
y = ax+b\,,
Za x i y podstawiamy współrzędne podanych punktów (x,y):
0 = -3a + b \qquad \; 3 = 0\cdot a + b,
Z ostatniego równania 3 = b otrzymujemy b, podstawiamy do poprzedniego otrzymując 0 = − 3a + 3, obliczamy a.
Ostatecznie otrzymujemy wzór funkcji:  f(x)=x+3\,


[edytuj] Wykres funkcji liniowej

Wykresem funkcji liniowej jest prosta. Aby narysować wykres funkcji liniowej, wystarczy wyznaczyć współrzędne dowolnych dwóch punktów tej funkcji i poprowadzić przez nie prostą.

Linear functions2.PNG

Prosta, która jest wykresem funkcji y=ax+b, nachylona jest do osi OX pod takim kątem, że

a = tg \alpha \qquad \alpha \in (0, \tfrac{\pi}{2})\cup(\tfrac{\pi}{2}, \pi)
gdzie: a to współczynnik przy x, α to kąt między prostą a osią OX

Kąt nachylenia prostej.PNG

Prosta przecina oś OY w punkcie (0,b) oraz oś OX w punkcie (-b/a, 0) - można to łatwo wyznaczyć z jej wzoru, y=ax+b (podstawiając 0 za y lub za x).

Twierdzenie
TWIERDZENIE

Wykresem funkcji liniowej f(x) = ax jest prosta przechodząca przez początek układu współrzędnych o współczynniku kierunkowym a.

Wykresem funkcji liniowej f(x) = ax + b jest prosta przechodząca przez punkt (0;b) o współczynniku kierunkowym a.

[edytuj] Własności funkcji liniowej

Dziedziną funkcji liniowej jest zbiór wszystkich liczb rzeczywistych R.

Miejsce zerowe funkcji jest punktem, w którym funkcja przecina oś OX, oblicza się je z  x_0= -\tfrac{b}{a}

Monotoniczność funkcji liniowej

  •  a>0\, funkcja rosnąca
  •  a<0\, funkcja malejąca
  •  a=0\, funkcja stała

Przykład
Funkcja y = − 3x + 1 jest malejąca.

Parzystość
Funkcja jest parzysta, gdy  a=0\, (funkcja stała).
Funkcja jest nieparzysta, gdy  b=0\, (przechodzi przez środek układu wsp.).

Różnowartościowość
Funkcja jest różnowartościowa, jeśli a\neq 0, w przeciwnym wypadku nie jest różnowartościowa (jest stała i zawsze przyjmuje tę samą wartość).

Okresowość
 a\neq 0\, funkcja nie jest okresowa.
 a=0\, funkcja jest okresowa (stała), jej okresem jest każda liczba R.

Wykresy dwóch funkcji
Jeśli porównać wykresy dwóch funkcji, to mogą one być:

  • równoległe, gdy a1 = a2 - oba współczynniki są równe
  • prostopadłe, gdy a_1 = \tfrac{-1}{a_2}

Przykład
Wykresy funkcji: f(x) = 3x + 1 i g(x) = 3x − 7 są liniami równoległymi do siebie.


[edytuj] Równanie liniowe z jedną niewiadomą

Przykładem równania liniowego może być:

  • 2x + 3 = 5
  • -x + 2 = 0
  •  \tfrac{7x + 2}{2} = 6

Rozwiązaniem równania jest liczba x, która spełnia to równanie.

Definicja
DEFINICJA

Równaniem liniowym z jedną niewiadomą nazywamy równanie, które można zapisać w postaci  ax+b=0\, ,  gdzie x jest niewiadomą.

Aby rozwiązać równanie liniowe, czyli aby znaleźć liczbę x, przeważnie trzeba wykonać następujące czynności:

  • przenieść niewiadomą na jedną stronę równania, pozostawiając liczby (bądź parametry) po drugiej stronie (przy przenoszeniu zmieniamy znak),
  • wymnożyć lub podzielić obustronnie przez wartość tak, aby pozbyć się liczby stojącej przy niewiadomej.

Wyjaśnienie

  • Aby rozwiązać równanie  2x+3=5\,,  wykonamy kolejne kroki wymienione powyżej.
Po lewej stronie równania zostawimy niewiadomą, przenosząc liczbę 3 na prawą stronę. Wystarczy zapisać ją po drugiej stronie ze zmienionym znakiem.
2x = 5-3\,  czyli  2x = 2\,
Aby z wyrażenia 2x uzyskać x, dzielimy przez 2. Zawsze dzielimy obie strony, czyli
2x = 2 \quad / :2\,
x = 1\,,   tak więc liczba 1 jest rozwiązaniem.

Przy przekształcaniu równania należy pamiętać o tym, że przenosząc pewną liczbę z jednej strony na drugą, należy zmienić znak na przeciwny, na przykład:

  • jeśli   2x + 5 \;=\; 6 ,  to   2x \;=\; 6 - 5 ,
  • jeśli   x - 4 \;=\; 2 ,   to   x \;=\; 2 + 4 .

Jeśli chcemy wymnożyć lub podzielić równanie przez pewną liczbę, wówczas zapisujemy to dodając na końcu np. " /\cdot 4 " lub np. " \,/: 3 ".

  •  \frac{x}{2} = 3\ \ \left/{\cdot}\ 2\right. - obustronnie mnożymy przez 2
  •  3x = 6\ \ \left/{:}\ 3\right. - obustronnie dzielimy przez 3
  •  \tfrac{3}{4}x = 2\ \ \left/{\cdot}\ \tfrac{4}{3}\right. - obustronnie mnożymy przez ułamek \tfrac{4}{3}.

Przykłady

  • Równanie -x + 2 = 0\,
 -x \,=\,0 -2
 -x = -2\ \; /{\cdot}\ (-1)
 x\,=\,2
  • Równanie  \tfrac{7x + 2}{2} = 6
Pozbywamy się ułamka, mnożąc przez wartość mianownika.
\frac{7x+2}{2} = 6\ \ \left/{\cdot}\ 2\right.
7x+2\,=\,12
7x = 10\ \; /{:}\ 7
x = \tfrac{10}{7}

Rozwiązania
Jeżeli nie są podane wartości współczynników a i b, wówczas możemy postawić następujące założenia:

  • jeśli a \neq 0, to istnieje jedno rozwiązanie x = -\frac{b}{a},
  • jeśli a=0 \;\mbox{i}\; b=0\,, to równanie przyjmie postać 0=0\,. Jest to równanie tożsamościowe i dla każdego x jest prawdą (czyli rozwiązaniem jest każda liczba),
  • jeśli a=0 \;\mbox{i}\; b\neq 0, wówczas równanie może wyglądać np. tak: 0 = 3, co oczywiście jest fałszem. Równanie to nazywa się równaniem sprzecznym i nie istnieje liczba, która je spełnia (brak rozwiązań).

Inną nazwą rozwiązania równania jest też miejsce zerowe, jak i pierwiastek.

[edytuj] Nierówność liniowa z jedną niewiadomą

Zacznijmy od kilku przykładów:

  • 2x > 3 \,
  • 5x - 2 < 2\,
  • -2x + 4 \geq -3x + 5
  •  -\tfrac{1}{2} x + 3 \geq 5

Zanim je rozwiążemy, spójrzmy na definicję:

Definicja
DEFINICJA

Nierówność liniową z jedną niewiadomą można zapisać w postaci np. ax + b > 0\,, gdzie niewiadomą jest x.
Inne postacie: ax + b \geq 0, \; ax + b < 0 \;\mbox{lub}\; ax + b \leq 0.

Ważna uwaga: przy mnożeniu (lub dzieleniu) nierówności przez liczbę ujemną, znak nierówności zmieniamy na przeciwnie skierowany (np. > na <).

Przejdźmy do rzeczy, czyli rozwiążmy przedstawione przykłady.

Zaczniemy od   2x > 3 \, :

 2x > 3 \quad /{:}\ 2
 x > 1\frac{1}{2}
Rozwiązaniem tej nierówności nie jest jedna liczba, a cały zbiór liczb większych od jednego i jednej drugiej.
Odp.  x \in \left(1\frac{1}{2}; +\infty\right).

Teraz możemy przejść do kolejnego przykładu   -2x + 4 \geq -3x + 5\, :

 -2x + 3x \geq 5 - 4
 x \geq 1
Odp.  x \in \langle1; +\infty) .

Rozwiążmy teraz nierówność  -5x - 2 < 2 \, :

 -5x < 2 + 2 \,
 -5x < 4 \quad /{:} (-5)\,
 x > -\frac{4}{5} - przy mnożeniu przez liczbę ujemną trzeba zmienić znak nierówności na przeciwny.
Odp.  x \in \left(-\frac{4}{5}; \infty\right) .

Dlaczego gdy mnożymy lub dzielimy przez liczbę ujemną, znak nierówności trzeba zmienić? Słuszność tego możemy sprawdzić na przykładzie:

3 < 4 \quad /\cdot (-2)
{\color{Red}-6 < -8 } \,  - fałsz, brakuje zmienionego znaku
-6 > -8 \,  - prawda, zmieniony znak na '>'.

[edytuj] Równanie z parametrem (R)

[edytuj] Układ równań z dwiema niewiadomymi

Układ równań z dwiema niewiadomymi, jak sama nazwa wskazuje, jest to układ dwóch lub więcej równań, w których mamy dwie niewiadome, np. x i y.

Spójrzmy na kilka przykładowych układów równań:

  • 
\left\{\begin{matrix}
2x + 1 = 3y \\
x - 5 = y
\end{matrix}
 \right.
  • 
\left\{\begin{matrix}
-3x - 6y + 4 = 0 \\
5x - 5 = y
\end{matrix}
 \right.

Poznamy trzy możliwości rozwiązywania takich układów.

[edytuj] Metoda podstawiania

Metoda podstawiania polega na wyznaczeniu pewnej zmiennej z jednego równania i wstawieniu do drugiego. Rozwiążmy w ten sposób pierwszy układ:


\left\{\begin{matrix}
2x + 1 = 3y & (1.1) \\
x - 5 = y & (1.2)
\end{matrix}
 \right.

Najpierw wyznaczymy sobie którąś niewiadomą - w tym układzie najlepiej y z (1.2), czyli:

y = x - 5 \!

i w takiej wersji możemy podstawić do (1.1):

 2x + 1 = 3 \cdot \left( x-5 \right) \!
 2x + 1 = 3x - 15 \!

i otrzymujemy:

 x= 16\,

Mamy już x. Teraz wystarczy do (1.2) podstawić znaleziony x, więc:

 y = 16 - 5 = 11\, .

Odp.  x = 16\, i  y = 11\,

Drugim wariantem tej metody jest początkowe wyznaczenie x z (1.1), czyli:

2x + 1 = 3y\,
2x = 3y - 1\ \ /{:} 2
x = \frac{3}{2}y - \frac{1}{2} (1.2')

i możemy podstawić do (1.2). Otrzymujemy:

 \frac{3}{2}y - \frac{1}{2} - 5 = y
 \frac{3}{2}y - 5\frac{1}{2} = y
 \frac{3}{2}y - y = 5\frac{1}{2}
 \frac{1}{2}y = 5\frac{1}{2} \quad \ /{\cdot} 2
y = 11.

Mamy już y. Teraz wystarczy do (1.2') podstawić znaleziony y, więc:

 x = \frac{3}{2} \cdot 11 - \frac{1}{2} = \frac{33}{2} - \frac{1}{2} = \frac{32}{2} = 16 .

Odp. x = 16 i y = 11.

Drugi układ

\left\{\begin{matrix}
-3x-6y+4=0 \\
5x-5=y
\end{matrix}
 \right.


\left\{\begin{matrix}
-3x-6(5x-5)+4=0 \\
y=5x-5
\end{matrix}
 \right.


\left\{\begin{matrix}
-3x-30x+30+4=0 \\
y=5x-5
\end{matrix}
 \right.

-33x=-34 \quad /:(-33)\,

 x= \frac{34}{33}\,

y=5 \cdot \frac{34}{33}-5\,

y= \frac{170}{33}-5\,

y= \frac{5}{33}\,

 x= \frac{34}{33}\,
Jak widać, wybór niewiadomej, którą chcemy wyznaczyć na początku, nie wpływa na wynik. Jednak dobrze wybrana, może czasami znacznie ułatwić zadanie.

[edytuj] Metoda przeciwnych współczynników

Metoda przeciwnych współczynników polega na przekształceniu jednego lub obu równań w taki sposób, aby współczynniki przy jednej zmiennej w obu równaniach miały przeciwne wartości. Rozwiążmy w ten sposób ponownie pierwszy układ:


\left\{\begin{matrix}
2x + 1 = 3y & (1.1) \\
x - 5 = y & (1.2)
\end{matrix}
 \right.

Współczynnik przy zmiennej x w równaniu (1.2) powinien mieć wartość -2, czyli:

x - 5 = y \quad /{\cdot} (-2)
-2x + 10 = -2y \ .

Teraz należy wstawić to do układu:


\left\{\begin{matrix}
2x + 1 = 3y & (1.1) \\
-2x + 10 = -2y & (1.2)
\end{matrix}
 \right.

i dodać stronami:

 2x + (-2x) +11 =3y + (-2y) \
 11 = y \

Mamy już y. Teraz wystarczy do (1.1') lub (1.2') podstawić znaleziony y, więc:

 x - 5 = 11 \
 x = 16 \

Odp. x = 16 i y = 11.

Drugi przykład:

  • 
\left\{\begin{matrix}
-3x - 6y + 4 = 0 \\
5x - 5 = y
\end{matrix}
 \right.

Przenosimy zmienną y na lewą stronę, a po prawej piszemy 0.



\left\{\begin{matrix}
-3x-6y+4=0 \\
   5x-5-y=0  \quad /\cdot (-6) 
\end{matrix}
 \right.

Teraz mnożymy obustronnie, aby przy y była taka sama cyfra i przeciwny znak.



\left\{\begin{matrix}
-3x-6y+4=0 \\
-30x+30+6y=0
\end{matrix}
 \right.

Teraz rozwiązujemy.


 -3x-6y+4-30x+30+6y=0\,


Po rozwiązaniu zostaje nam takie równanie:


 -33x+34=0\,


Przenosimy na drugą stronę, aby podzielić obustronnie.


 -33x=-34 \quad / : (-33)\,


Ostatecznie x wynosi:


 x=\frac{34}{33}

Podstawiamy x i wyliczamy.


 5\cdot\frac{34}{33}-5=y\,

 \frac{170}{33}-5=y


Gdy sprowadziliśmy do wspólnego mianownika wyszedł nam y.


 y=\frac{5}{33}

Odpowiedź  x=\frac{34}{33} i  y=\frac{5}{33}

[edytuj] Metoda graficzna

Metoda graficzna polega na przekształceniu równania do postaci kierunkowej, następnie narysowaniu prostych na układzie współrzędnych i na końcu odczytania współrzędnych punktu przecięcia prostych.

Zróbmy taki przykład


\left\{\begin{matrix}
x+y=4 \\
2x+3y=12
\end{matrix}
 \right.

Przekształcamy układ to postaci kierunkowej


\left\{\begin{matrix}
y=-x+4 \\
y=4-\frac{2}{3}x
\end{matrix}
 \right.

Następnie rysujemy proste w układzie współrzędnych i odczytujemy punkty przecięcia prostych. W tym przypadku są to punkty:

\left\{\begin{matrix}
x=0 \\
y=4
\end{matrix}
 \right.

[edytuj] Metoda wyznacznikowa


\left\{\begin{matrix}
a_1x+b_1y=c_1 \\
a_2x+b_2y=c_2
\end{matrix}
 \right.


W=\begin{bmatrix}a_1 & b_1 \\ a_2&b_2 \end{bmatrix}= a_1b_2 - a_2b_1


W_x=\begin{bmatrix}c_1 & b_1 \\ c_2 & b_2 \end{bmatrix}=c_1b_2 - c_2b_1


W_y=\begin{bmatrix}a_1 & c_1 \\ a_2 & c_2 \end{bmatrix}=a_1c_2 - a_2c_1

Jeśli  W \neq 0, to układ równań ma jedno rozwiązanie  x= \frac{W_x}{W} i  y= \frac {W_y}{W} .

Jeśli  W = 0\, i  W_x = 0\, i W_y = 0\, to układ równań jest nieoznaczony (nieskończenie wiele rozwiązań).

Jeśli  W=0\, i W_x  \neq  0  \vee W_y \neq 0 to układ równań jest sprzeczny.

Przykład

\left\{\begin{matrix}
2x+5y=16 \\
5x+y=17
\end{matrix}
 \right.

 W=\begin{bmatrix}2 & 5 \\ 5&1 \end{bmatrix}= 2\cdot - 5 \cdot 5 = 2-25 = -23

 W_x=\begin{bmatrix} 16 & 5 \\ 17 & 1 \end{bmatrix}=16 \cdot 1 - 17 \cdot 5 = 16-85=-69

 W_y=\begin{bmatrix} 2 & 16 \\ 5 & 17 \end{bmatrix}=2 \cdot 17-5 \cdot 16=34-80=-46

 x= \frac{W_x}{W} = \frac{-69}{-23} = 3\,

 y= \frac{W_y}{W} = \frac{-46}{-23}=2\,


Do zrobienia Do zrobienia:
  • -parametr


[edytuj] Podsumowanie

Równaniem liniowym z jedną niewiadomą jest
  • równanie postaci  ax + b = 0 (lub każde dające się sprowadzić do tej postaci), gdzie x jest niewiadomą oraz a i b są dowolnymi liczbami (lub parametrami).
Równanie liniowe rozwiązujemy następująco
  • przeniesienie niewiadomej na jedną stronę, a liczb (bądź parametrów) na drugą,
  • wymnożenie lub podzielenie obu stron przez wartość tak, aby pozbyć się liczby przy niewiadomej x (np.   3x=9 \,\rightarrow \; x=3),
  • przy przenoszeniu liczby na drugą stronę równania, zmieniamy jej znak na przeciwny.
Rozwiązania równania liniowego
  • a\neq 0   - równanie ma jedno rozwiązanie (np. 0=3x+1)
  • a=0, b=0 \,  - równanie jest tożsamościowe (np. 0=0)
  • a=0, b\neq 0  - równanie jest sprzeczne (brak miejsc zerowych) (np. 0=2)
Układ równań linowych

Metody:

  • podstawiania - polega na wyznaczeniu pewnej zmiennej z jednego równania i wstawieniu do drugiego
  • przeciwnych współczynników - polega na przekształceniu jednego lub obu równań w taki sposób, aby współczynniki przy jednej zmiennej w obu równaniach miały przeciwne wartości.
  • graficzna - polega na przekształceniu równania do postaci kierunkowej, następnie zaznaczeniu prostych na układzie współrzędnych i odczytania współrzędnych punktu przecięcia prostych.
  • wyznaczniki - polega na wyznaczeniu wyznaczników i na podstawie ich wartości przeprowadzenie analizy rozwiązań układu równań.


[edytuj] Zadania z rozwiązaniami

Zad.1 Wyznacz miejsce zerowe funkcji  y=3x+5\,

Rozwiązanie

 y=3x+5\,

 0=3x+5\,

 -3x=5 \quad / : (-3)\,

 x= \frac {-5}{3}\,


Zad.2 Napisz wzór prostej prostopadłej do prostej y=-4x+3\, i przechodzącej przez punkt A(1,2).

Rozwiązanie

a \cdot a_1=-1 \quad /: a_1\,
a= \frac {-1}{a_1}\,

y=-4x+3\,

a \cdot (-4)=-1\,
-4a=-1 \quad /: (-4)\,
a= \frac{1}{4}\,


 A(x=1,y=2)\,
 2= \frac {1}{4} \cdot 1 +b
 2= \frac{1}{4}+b
 2- \frac{1}{4}=b
 \frac{7}{4}=b
 y=\frac{1}{4} x+ \frac {7}{4}


Zad.3 Janek kupił dwa chleby i trzy oranżady płacąc 13 zł. Drugiego dnia za trzy chleby i cztery oranżady zapłacił 5 zł więcej, niż poprzedniego dnia. Ile kosztuje jeden chleb i jedna oranżada?

Rozwiązanie (metoda przeciwnych współczynników)

x - chleb
y - oranżada


\left\{\begin{matrix}
2x+3y=13 / \cdot (-3) \\
3x+4y=18 / \cdot  2
\end{matrix}
 \right.


\left\{\begin{matrix}
-6x-9y=-39 \\
6x+8y=36
\end{matrix}
 \right.

 -6x-9y+6x+8y=-39+36\,

 -y=-3 \quad /:(-1)\,

 y=3\,

2x+3\cdot3=13\,

2x+9=13\,

2x=13-9\,

2x=4\quad /:2

 x=2\,

Odpowiedź: Chleb kosztuje 2 zł, a oranżada 3 zł.


Zad.4 Rozwiąż układ równań


\left\{\begin{matrix}
x+2y-z=-4 \\
2y+z=2\\
2y=-2
\end{matrix}
 \right.


\left\{\begin{matrix}
2y+x-z=-4 \\
z=2-2y \\
2y=-2
\end{matrix}
 \right.


\left\{\begin{matrix}
2y+x-(2-2y)=-4 \\
z=2-2y \\
2y=-2
\end{matrix}
 \right.


\left\{\begin{matrix}
-2+x-2+2y=-4 \\
z=2-(-2) \\
2y=-2
\end{matrix}
 \right.


\left\{\begin{matrix}
x=-4+2+2+2 \\
z=4 \\
2y=-2
\end{matrix}
 \right.


\left\{\begin{matrix}
x=2 \\ 
z=4 \\ 
2y=-2 \quad /:2
\end{matrix}
 \right.


\left\{\begin{matrix}
x=2 \\
y=-1 \\
z=4
\end{matrix}
 \right.


  1. Na przejechanie 60 km samochód zużywa 4,8 litra benzyny
    1. ile kilometrów przejedzie samochód , mając w baku 12,8 litra benzyny?
    2. ile litrów benzyny potrzebuje ten samochód na przejechanie 255 km?
    3. podaj wzór wyrażający zużycie paliwa w litrach w zależności od liczby x\, przebytych przez samochód kilometrów.