Введение: Определение и классификация
В общей алгебре показательным называют уравнение, в котором неизвестная переменная содержится в показателе степени. Однако в терминологии задач школьного курса и, соответственно, ЕГЭ, к данной категории нередко относят и так называемые простейшие степенные уравнения вида: xⁿ = a, (1), где:
x — неизвестное основание степени,
n (n ∈ N, n > 1) — известный натуральный показатель степени,
a (a ∈ R) — известное действительное число.
Решение уравнения (1) напрямую вытекает из анализа свойств степенной функции y = xⁿ и операции извлечения корня. Важным параметром, определяющим множество решений, является четность показателя степени n.
Теоретические основы и алгоритм решения
1. Случай нечётного показателя степени (n = 2k+1, k ∈ N)
Если показатель степени n является нечётным, то степенная функция y = xⁿ строго монотонна на всей области определения (R). Она является нечётной и принимает все действительные значения. Следствием этого является факт:
Теорема 1. Для любого действительного числа a и нечётного натурального n уравнение xⁿ = a имеет ровно одно действительное решение: x = ⁿ√a.
Пример 1.1 (точный корень): Решить уравнение $x^{5} = − 243$.
Показатель степени n = 5 — нечётный. Следовательно, решение единственно: x = ⁵√(−243) = -3, поскольку (−3)⁵ = −243.
Ответ: −3.
Пример 1.2 (дробное основание): Решить уравнение $x^3 = -\frac{8}{27}$.
n = 3 — нечётный.
$x = \sqrt[3]{-\frac{8}{27}} = -\sqrt[3]{\frac{8}{27}} = -\frac{2}{3}$.
Ответ: −2/3.
Пример 1.3 (иррациональное число): Решить уравнение $x^{3} = 5$.
n = 3 — нечётный. Так как 5 не является точным кубом, решение сохраняется в форме корня.
Ответ: x = ³√5.
Пример 1.4 (нулевой свободный член): Решить уравнение $x^{7} = 0$
n = 7 — нечётный. Единственный корень x = 0.
Ответ: 0.
2. Случай чётного показателя степени (n = 2k, k ∈ N)
Если показатель степени n является чётным, то степенная функция y = xⁿ является чётной и не является монотонной на всей области определения. Её график симметричен относительно оси ординат, а область значений — множество неотрицательных чисел [0; +∞). Это влечёт за собой три принципиально различных подслучая:
Теорема 2. Пусть n — чётное натуральное число. Тогда для уравнения xⁿ = a справедливо:
- Если a < 0, множество решений уравнения пусто: x ∈ ∅.
- Если a = 0, уравнение имеет единственное решение: x = 0.
- Если a > 0, уравнение имеет два решения, являющихся противоположными числами: x = ± ⁿ√a.
Пример 2.1 (точные корни): Решить уравнение $x^4 = -\frac{625}{16}$.
Показатель степени n = 4 — чётный, параметр $a = \frac{625}{16} > 0$. Следовательно, уравнение имеет два решения:
$x = \pm \sqrt[4]{\frac{625}{16}} = \pm \frac{5}{2}$.
Ответ: −2,5; 2,5.
Пример 2.2 (отрицательный свободный член): Решить уравнение $x^{2} = − 7$
Показатель степени n = 2 — чётный, параметр a = −7 < 0. Следовательно, уравнение не имеет действительных решений.
Ответ: нет решений.
Пример 2.3 (иррациональный корень): Решить уравнение $x^{6} = 32$
n = 6 — чётный, a = 32 > 0. x = ± ⁶√32. Поскольку 32 = 2⁵, упрощаем:
$\sqrt[6]{(2^5)} = 2^{\frac{5}{6}}$.
Ответ: $x = \pm 2^{\frac{5}{6}}$.
Пример 2.4 (корень из дроби): Решить уравнение $x^2 = \frac{3}{49}$.
n = 2 — чётный, $a = \frac{3}{49} > 0$.
$x = \pm \sqrt{\frac{3}{49}} = \pm \frac{\sqrt{3}}{7}$.
Ответ: $x = \pm \frac{\sqrt{3}}{7}$.
Пример 2.5 (нулевой свободный член, чётная степень): Решить уравнение $x^{10} = 0$
n = 10 — чётный, a = 0. Единственное решение x = 0.
Ответ: 0.
Уравнения с несколькими слагаемыми: методы решения
Когда уравнение содержит более одного степенного слагаемого, применяются следующие основные методы.
1. Метод вынесения общего множителя
Алгоритм:
- Определить общий множитель (наименьшую степень переменной).
- Вынести его за скобки.
- Приравнять каждый множитель к нулю.
- Решить полученные уравнения.
Пример 3.1.1: Решить уравнение 2x³ + x² = 0
- Выносим x² за скобки: x²(2x + 1) = 0.
- Приравниваем каждый множитель к нулю:
x² = 0 ⇒ x = 0;
2x + 1 = 0 ⇒ x = −0,5.
Ответ: x = −0,5; 0
Пример 3.1.2: Решить уравнение x⁵ − 3x³ = 0
- Выносим x³ за скобки: x³(x² − 3) = 0.
- Решаем:
x³ = 0 ⇒ x = 0;
x² − 3 = 0 ⇒ x = ±√3.
Ответ: x = −√3; 0; √3.
2. Метод замены переменной
Применяется, когда уравнение можно свести к квадратному относительно некоторой степени x.
Алгоритм:
- Определить подходящую замену t = xᵏ.
- Подставить в уравнение.
- Решить полученное квадратное уравнение.
- Вернуться к исходной переменной.
Пример 3.2.1: Решить уравнение x⁴ − 5x² + 4 = 0.
- Замена: t = x² , тогда t² − 5t + 4 = 0.
- Решаем квадратное уравнение: t₁ = 1, t₂ = 4.
- Возвращаемся к x:
x² = 1 ⇒ x = ±1;
x² = 4 ⇒ x = ±2.
Ответ: x = −2; −1; 1; 2.
Пример 3.2.2: Решить уравнение x⁶ − 9x³ + 8 = 0
- Замена: t = x³, тогда t² − 9t + 8 = 0.
- Решаем: t₁ = 1, t₂ = 8.
- Возвращаемся к x:
x³ = 1 ⇒ x = 1;
x³ = 8 ⇒ x = 2.
Ответ: x = 1; 2.
3. Метод группировки
Применяется, когда слагаемые можно сгруппировать таким образом, чтобы в каждой группе оказался общий множитель.
Пример 3.3.1: Решить уравнение x³ + 2x² − x — 2 = 0.
- Группируем: (x³ + 2x²) + (−x − 2) = 0.
- Выносим общие множители: x²(x + 2) − 1(x + 2) = 0.
- Выносим (x + 2) за скобки: (x + 2)(x² − 1) = 0.
- Решаем:
x + 2 = 0 ⇒ x = −2.
x² − 1 = 0 ⇒ x = ±1.
Ответ: x = −2; −1; 1.
Комбинированные методы решения
На практике часто требуется последовательное применение нескольких методов.
Пример 4.1: Решить уравнение 2x⁴ − 8x² = 0.
- Вынесение общего множителя: 2x²(x² − 4) = 0.
- Разность квадратов: 2x²(x − 2)(x + 2) = 0.
- Решаем:
x² = 0 ⇒ x = 0;
x − 2 = 0 ⇒ x = 2;
x + 2 = 0 ⇒ x = −2.
Ответ: x = −2; 0; 2.
Пример 4.2: Решить уравнение x⁵ − 4x³ − x² + 4 = 0.
- Группировка: (x⁵ − 4x³) + (−x² + 4) = 0.
- Вынесение множителей: x³(x² − 4) – 1(x² − 4) = 0.
- Общий множитель: (x² − 4)(x³ − 1) = 0.
- Решаем:
x² − 4 = 0 ⇒ x = ±2;
x³ − 1 = 0 ⇒ x = 1.
Ответ: x = −2; 1; 2.
Обобщенный алгоритм для применения в условиях ЕГЭ
- Определи тип уравнения:
Простейшее xⁿ = a → Примени Теорему 1 или 2.
Несколько слагаемых → Перейди к шагу 2. - Попытайся упростить уравнение:
- вынести общий множитель;
- сгруппировать слагаемые;
- сделать замену переменной.
- Реши полученные простейшие уравнения.
- Запиши ответ, проверив ОДЗ (для чётных показателей).
Заключение
Представленная классификация методов решения степенных уравнений позволяет системно подходить к решению задач различной сложности. Ключевым навыком является распознавание структуры уравнения и выбор оптимального метода решения. Отработка всех рассмотренных случаев обеспечивает уверенное выполнение заданий ЕГЭ, связанных с данной тематикой. Особое внимание следует уделять комбинированным методам, которые наиболее часто встречаются в заданиях повышенной сложности.
Автор:
Доброва Дарья, методист «100балльного репетитора» по математике ОГЭ/10 класса
