23.3 สูตรสมการกำลังสอง
การทำเป็นกำลังสองสมบูรณ์ใช้ได้กับทุกสมการ แต่ถ้า b เป็นเลขคี่หรือ a หาร b ไม่ลงตัว จะเจอเศษส่วนตลอดทาง เช่น 3x2+5x−1=0 ต้องหารด้วย 3 แล้วเติม 3625 ถ้าทำกำลังสองสมบูรณ์กับ ax2+bx+c=0 ที่เป็นตัวอักษรไว้ครั้งเดียว จะได้สูตรที่แทนค่าได้ทันทีทุกครั้ง
ที่มาของสูตร
ทำทีละขั้นเหมือนตัวอย่าง 5 ของหน้าที่แล้ว เพียงแต่ใช้ a b c แทนตัวเลข โดย a=0
- หารทั้งสมการด้วย a ได้ x2+abx+ac=0
- ย้ายค่าคงตัว x2+abx=−ac
- ครึ่งหนึ่งของ ab คือ 2ab เติม 4a2b2 ทั้งสองข้าง (x+2ab)2=4a2b2−ac
- รวมข้างขวาเป็นเศษส่วนเดียว ตัวส่วน 4a2 ได้ (x+2ab)2=4a2b2−4ac
- ถ้า b2−4ac≥0 ถอดรากที่สองได้ x+2ab=±2ab2−4ac (รากที่สองของ 4a2 คือ 2a หรือ −2a แต่มี ± อยู่แล้วจึงครอบคลุมทั้งสองกรณี)
- ย้าย 2ab ไปข้างขวา รวมเป็นเศษส่วนเดียว ได้สูตรข้างล่าง
สูตรสมการกำลังสอง
คำตอบของสมการ ax2+bx+c=0 เมื่อ a=0 และ b2−4ac≥0 คือ
x=2a−b±b2−4ac
ก่อนแทนค่า ต้องจัดสมการให้อยู่ในรูปทั่วไปที่ข้างหนึ่งเป็นศูนย์ แล้วเขียน a b c พร้อมเครื่องหมายให้ชัด
ตัวอย่าง 1
แก้สมการ x2+5x+2=0
- a=1 b=5 c=2
- b2−4ac=25−4(1)(2)=17
- x=2(1)−5±17=2−5±17
- คำตอบคือ 2−5+17 และ 2−5−17 ประมาณ −0.44 และ −4.56
ตัวอย่าง 2
แก้สมการ 3x2−2x−8=0
- a=3 b=−2 c=−8
- b2−4ac=(−2)2−4(3)(−8)=4+96=100
- x=2(3)−(−2)±100=62±10
- x=612=2 หรือ x=6−8=−34
b2−4ac=100 เป็นกำลังสองของจำนวนเต็ม คำตอบจึงไม่มีเครื่องหมายราก แปลว่าสมการนี้แยกตัวประกอบได้ด้วย คือ (3x+4)(x−2)=0 ถ้าเห็นตัวประกอบตั้งแต่แรก วิธีของหน้า 23.1 จะเร็วกว่า
ตัวอย่าง 3
แก้สมการ x2=3x+5
- จัดให้อยู่ในรูปทั่วไปก่อน x2−3x−5=0 จึงได้ a=1 b=−3 c=−5
- b2−4ac=(−3)2−4(1)(−5)=9+20=29
- x=2−(−3)±29=23±29
ลองคิดก่อน
ในตัวอย่าง 3 นักเรียนคนหนึ่งคิด b2−4ac ได้ −9−20=−29 แล้วสรุปว่าสมการไม่มีคำตอบ พลาดตรงไหนบ้าง
ดูคำตอบ
พลาดสองที่ ที่แรก b=−3 ต้องยกกำลังทั้งก้อน (−3)2=9 ไม่ใช่ −32=−9 ที่สอง c=−5 ทำให้ −4ac=−4(1)(−5)=+20 ลบคูณลบเป็นบวก
ทางกันพลาดคือใส่วงเล็บรอบทุกค่าที่แทนลงไป (−3)2−4(1)(−5) แล้วค่อยคิดทีละพจน์
b² − 4ac บอกจำนวนคำตอบ
ค่า b2−4ac อยู่ใต้เครื่องหมายราก ค่านี้ค่าเดียวจึงบอกได้ว่าสมการมีคำตอบกี่คำตอบ โดยไม่ต้องแก้จนจบ ค่านี้มีชื่อเรียกว่าดิสคริมิแนนต์ (discriminant)
สมบัติ
สำหรับสมการ ax2+bx+c=0 เมื่อ a=0
- ถ้า b2−4ac>0 สมการมีคำตอบที่เป็นจำนวนจริงสองคำตอบที่ไม่เท่ากัน เพราะ +x กับ −x ให้ค่าต่างกัน
- ถ้า b2−4ac=0 สมการมีคำตอบเดียว คือ x=−2ab เพราะ ±0 เป็นศูนย์ทั้งคู่
- ถ้า b2−4ac<0 สมการไม่มีคำตอบที่เป็นจำนวนจริง เพราะจำนวนลบไม่มีรากที่สองที่เป็นจำนวนจริง
กราฟข้างล่างคือกราฟของ y=ax2+bx+c ซึ่งเป็นเส้นโค้งที่จะเรียนละเอียดในบทที่ 25 ตอนนี้ให้ดูแค่จุดที่เส้นโค้งตัดแกน x ที่จุดนั้น y=0 พิกัด x ของจุดตัดจึงเป็นคำตอบของสมการ ax2+bx+c=0 พอดี
ตั้ง a=1 b=4 c=4 แล้วดูว่าเส้นโค้งแตะแกน x กี่จุด จากนั้นเลื่อน c ขึ้นเป็น 6 จุดตัดหายไปไหน
ตัวอย่าง 4
ไม่ต้องแก้สมการ บอกว่าแต่ละสมการมีคำตอบที่เป็นจำนวนจริงกี่คำตอบ
(1) x2−6x+9=0 (2) 2x2+3x+5=0 (3) x2+x−1=0
- (−6)2−4(1)(9)=36−36=0 มีคำตอบเดียว
- 32−4(2)(5)=9−40=−31 น้อยกว่าศูนย์ ไม่มีคำตอบที่เป็นจำนวนจริง
- 12−4(1)(−1)=1+4=5 มากกว่าศูนย์ มีสองคำตอบ
ตัวอย่าง 5
หาค่า k ที่ทำให้สมการ x2+kx+9=0 มีคำตอบเดียว
- มีคำตอบเดียวเมื่อ b2−4ac=0 ในที่นี้ a=1 b=k c=9
- k2−4(1)(9)=0 ได้ k2=36
- k=6 หรือ k=−6 ตรวจ k=6 ได้ x2+6x+9=(x+3)2 และ k=−6 ได้ (x−3)2 เป็นกำลังสองสมบูรณ์ทั้งคู่
เลือกวิธีไหนดี
| สมการหน้าตาแบบนี้ | วิธีที่เร็ว |
|---|
| ไม่มีพจน์ x เช่น 3x2=27 | จัดเป็น x2=k แล้วถอดราก |
| ไม่มีค่าคงตัว เช่น x2=4x | ดึงตัวร่วม x |
| เห็นตัวประกอบที่เป็นจำนวนเต็มเร็ว | แยกตัวประกอบ |
| อยู่ในรูป (x+p)2=q แล้ว | ถอดรากทั้งก้อน |
| นอกจากนั้น | สูตรสมการกำลังสอง |
สูตรใช้ได้กับทุกสมการ ถ้าลังเลก็ใช้สูตรได้เสมอ แต่ถ้าสมการแยกตัวประกอบง่าย การแยกตัวประกอบพลาดน้อยกว่าเพราะคิดเลขน้อยกว่า
สรุป
- x=2a−b±b2−4ac ได้จากการทำกำลังสองสมบูรณ์กับ ax2+bx+c=0
- จัดสมการให้ข้างหนึ่งเป็นศูนย์ก่อน แล้วเขียน a b c พร้อมเครื่องหมาย
- ใส่วงเล็บตอนแทนค่าติดลบ เช่น (−3)2=9 และ −4(1)(−5)=20
- b2−4ac มากกว่าศูนย์ มีสองคำตอบ เท่ากับศูนย์ มีคำตอบเดียว น้อยกว่าศูนย์ ไม่มีคำตอบที่เป็นจำนวนจริง