Risoluzione di equazioni (2)
Approfondiamo le considerazioni svolte in risoluzione di equazioni (1).
il
metodo grafico per risolvere le equazioni ha vantaggi e
svantaggi:
dal grafico di V (la funzione che a x associa il volume [in cm3] della scatola realizzabile tagliando da una lamiera quadrata di lato 20 [cm] quattro quadratini di lato x e operando successive piegature e saldature: vedi figura sotto a sinistra) riesco a capire che le soluzioni in [0,10] di
Come devo prendere x (0 ≤ x ≤ 10: per x = 0 non effettuo tagli, per x = 10 taglio via tutto) per ottenere V=300? Dal grafico ricavo che x può essere circa 1 o circa 6.5. Con degli zoom posso migliorare la precisone e trovare gli arrotondamenti 0.9 e 6.6, che potrebbero essere sufficienti se le misure sono in cm.
NOTA. Graficamente potrei risolvere anche il problema: "come devo effettuare il taglio per ottenere il volume massimo?". Con successivi zoom posso trovare valori man mano più precisi: 3 cm, 3.3 cm, 3.33 cm (questa precisione, al decimo di millimetro, è sicuramente sufficiente per qualunque problema pratico). |
per trovare con più precisione e più velocemente i valori delle soluzioni posso utilizzare anche un metodo numerico; dal grafico precedente posso ottenere che le 2 soluzioni cercate sono circa 1 e circa 7; cambiando scala potrei trovare qualche cifra in più; con un metodo numerico posso invece ottenere rapidamente gli arrotondamenti 0.907103304932525 e 6.63888824584012 (posso trovare anche la x del terzo punto di intersezione che appare nella figura: 12.4540084492274);
con questi metodi non posso, però,
determinare il valore esatto delle soluzioni; e non posso
essere sicuro di averle trovate tutte (nel caso della figura precedente, se mi interessasse risolovere in astratto l'equazione
Esercizio 1: testo e soluzione Esercizio 2: testo e soluzione
è
opportuno cercare di capire, prima di mettersi a fare
manipolazioni, se è possibile risolvere l'equazione
direttamente, e, nel caso si debba procedere con manipolazioni,
scegliere le trasformazioni più convenienti (non esiste
un'unica ricetta per risolvere un'equazione!):
2 t +1 = 0 | si conclude subito che non ci sono soluzioni: qualunque sia t, 0≤t2 e, quindi, t2+1>0; |
a+1 = 1 a | si conclude subito che non ci sono soluzioni: il rapporto tra numeri differenti non è mai 1; |
x(x+1) = 0 | senza sviluppare x(x+1) in x2+x si osserva: affinché il prodotto tra x e x+1 sia 0 occorre (e basta) o che x sia 0 o che x+1 sia 0 (cioè x sia 1), per cui le soluzioni sono 0 e 1. |
in
alcuni casi il problema che viene modellizzato mediante
l'equazione considerata impone delle restrizioni alla
variazione della incognita; occorre tenerne conto risolvendo
l'equazione:
ad esempio se in
l'esame
preventivo del dominio dell'equazione (se A=B, ovvero A−B=0, è un'equazione, il suo dominio
è il dominio di A−B, ovvero l'intersezione dei domini delle funzioni A e B)
può far
risparmiare inutili manipolazioni;
ad esempio di fronte a
una
equazione vera cioè che, comunque si
sostituiscano numeri alle variabili (senza rendere indefiniti i
termini che compaiono in essa), risulta vera viene detta anche
identità; una equazione falsa
cioè che, comunque si sostituiscano numeri
, risulta
falsa in qualche libro è chiamata equazione impossibile
(nel senso che è impossibile trovare soluzioni perché
non ne esistono, non perché non si è capaci di
trovarle);
la
quantità delle soluzioni di un'equazione può
variare da caso a caso:
le equazioni false hanno 0
soluzioni;
le equazioni vere possono avere un
numero di soluzioni infinito (come nel primo esempio del punto
precedente) o finito (come nel secondo esempio);
l'equazione |2x+1||x1|x = k, risolta rispetto a x, può avere 0, 1, 2 o infinite
soluzioni a seconda del valore di k:
il grafico di x → |2x+1||x1|x, riprodotto a lato, interseca la retta orizzontale y=k: | ||
0 volte se k < 1 1 volta se k = 1 (la soluzione è 1/2) 2 volte se 1 < k < 2 (se k = 0 le soluzioni sono 1 e 0) infinite volte se k = 2 (l'insieme delle soluzioni è 1 volta se k>2 |
dopo la risoluzione di un'equazione attraverso manipolazioni, è utile verificare se le soluzioni trovate sono effettivamente soluzioni, cioè se, sostituite alla variabile assunta come incognita, rendono vera l'equazione: nel corso delle manipolazioni potrebbero essersi verificati degli errori; ad es. se dopo la seguente risoluzione di equazione:
2 2 2 2 2 2 12 + = 3x + > 12 + = 3x + > 12=3x > x=4 x-4 x-4 | x-4 x-4 x-4 x-4 | | | | 2 | applico /3 e applico - semplifico x-4 inverto l'eq.
verifico quanto ottenuto sostituendo 4 a x nell'equazione originale, ottengo:
2 2 2 2 12 + = 3·4 + > 12 + = 12 + 4-4 4-4 0 0
che non è definita.
Variabili, incognite e parametri
Trovare le soluzioni di un'equazione
contenente più variabili ha significati
diversi a seconda di quali di esse vengono assunte come incognite:
di
fronte a x2
+ y2 = 1
se scelgo y come incognita, risolvere l'equazione vuol dire trovare
non valori numerici ma termini che sostituiti a y rendono
l'equazione vera, cioè un'identità; in questo caso le
soluzioni sono
x2
+ y2 = 1
→
y = √(1x2) OR y = √(1x2)
di
fronte alla stessa equazione x2
+ y2 = 1, se considero sia x che y come
incognite, le soluzioni sono coppie di numeri (x,y) che,
pensate come punti del piano, costituiscono il cerchio di
centro (0,0) e raggio 1; a lato sono evidenziati alcuni
punti-soluzione; si chiamano terne pitagoriche le terne di numeri interi positivi (x, y, z) che sono soluzioni dell'equazione x2 + y2 = z2; anche in questo caso tutte le variabili sono considerate incognite; sono ad es. soluzioni le terne (3, 4, 5), (4, 3, 5), (5, 12, 13), (6, 8,10). |
se in x2+ y2= r2 considero x e y come incognite, pensando di fissare il valore di r, ricado in una situazione analoga a quella vista nel penultimo esempio: le soluzioni sono i punti (x,y) del cerchio di centro (0,0) e raggio |r|; la risoluzione di x2 + y2 = r2 non dà luogo a una particolare figura, ma a una famiglia di cerchi di centro (0,0) e raggio variabile, cioè a una figura che varia in funzione di una variabile. |
Le
variabili non assunte come incognite, come x nel primo
esempio e r nell'ultimo, sono chiamate
parametri. Le equazioni del secondo e del terzo esempio
sono senza parametri.
L'equazione |2x+1||x1|x = k,
risolta rispetto a x, considerata precedentemente, ha k come
parametro.
Analogamente, quando si usa una equazione, come y = k x, per esprimere il legame tra la variabile di input x e la variabile di output y, cioè per descrivere la funzione x → k x, la variabile k viene chiamata parametro della funzione. Nel caso della funzione x → k x + h i parametri sono due, k e h. In pratica sono le variabili pensate come costanti il cui valore caratterizza l'andamento del grafico della funzione.
Anche nel caso di funzioni non numeriche si parla di parametri: se P →
Vedremo, successivamente, altri usi del termine "parametro".
La quantità delle soluzioni
può dipendere dai valori assunti dai parametri, come si è
visto per l'equazione ora richiamata. Con il metodo
grafico non posso risolvere una equazione con parametri,
ma solo le particolari equazioni ottenibili da essa dando valori
numerici ai parametri. Tuttavia, tracciare (quando è
possibile) i grafici corrispondenti all'equazione per diversi
valori dei parametri, può essere utile per studiare il
numero delle soluzioni.
Ad es. di fronte a x32xq=0,
cioè a x3=2x+q, osservando
come al variare di q cambiano le intersezioni tra il grafico di x
&rarrM
x3 e quello di x
→
2x+q, grafici che è facile schizzare anche a mano (vedi la figura sotto a sinistra),
capisco che:
c'è
un valore c di poco superiore a 1 tale che per q=c e
q=c ci sono esattamente 2 soluzioni
(la retta "tocca" y=x3
in un punto e la attraversa in un altro);
per q>c c'è una
sola soluzione; lo stesso accade per q<c;
per c<q<c
ci sono 3 soluzioni.
Per trovare il valore esatto di c
occorre ricorre a metodi algebrici.
|
Analogamente (vedi figura sopra a destra), di fronte a kx+11/x=0,
cioè kx+1=1/x, osservando come cambiano le intersezioni tra
il grafico di x
→ 1/x e quello di x
→ kx+1 al variare della pendenza k, capisco che:
per k=0 e per un altro valore c
(<0) di k c'è una sola soluzione,
per
k che cade in (,c), in (c, 0) e in (0,)
ci sono 0 o 2 soluzioni.
Nel caso delle equazioni contenenti
parametri la verifica delle soluzioni è
particolarmente importante: in presenza di parametri è spesso
più difficile studiare il dominio dell'equazione.
Consideriamo ad esempio l'equazione a lato, prendendo x come incognita. | k x = x+k x+k |
A
denominatore in entrambi i membri abbiamo x+k. Quindi l'equazione è
definita per | |
Moltiplico entrambi i membri per x+k e semplifico, ottenendo: k = x. La soluzione sarebbe quindi x=k. | |
Facciamo la verifica sostituendo k a x | |
k x k k = > = x+k x+k k+k k+k | |
L'equazione ottenuta è vera se k≠0. | |
Concludendo se k≠0 l'equazione ha come soluzione x=k. Se k=0 l'equazione non ha soluzioni (in questo caso la soluzione x=k non verifica l'equazione). | |
Se fossimo stati attenti avremmo potuto concludere che per k=0 non vi sono soluzioni anche senza la verifica: all'inizio abbiamo detto che per x=k l'equazione non è definita; per k=0 si ha k=k e quindi in tal caso la soluzione x=k non è accettabile. |
Per manipolare un'equazione si possono operare diversi tipi di trasformazioni:
scambiare
i due membri dell'equazione: a=b → b=a
Di fronte a 12=x+1 è poco sensato
fare 12=x+1 → x=12+1 → x=11 → x=11;
conviene fare: 12=x+1 → 121=x → 11=x → x=11
trasformare
termini [] che compaiono nell'equazione, tenendo presente che può
cambiare il dominio dell'equazione e che, quindi, si
possono trovare delle soluzioni in più o in meno
rispetto all'equazione originale.
nell'esempio già considerato discutendo della verifica delle soluzioni,
4 è soluzione di 12=3x ma non è
nel dominio dell'equazione iniziale, che è stato allargato
operando la "semplificazione"
Per procedere correttamente avrei dovuto
aggiungere, dopo la semplificazione, la condizione
anche nell'esempio considerato discutendo della verifica nel caso delle equazioni parametriche,
k è soluzione di k=x ma non è
nel dominio dell'equazione iniziale, che, dopo l'applicazione di "·(x+k)" ai due membri, è stato allargato
operando la "semplificazione"
nel fare √(x2) = 2 → x=2
si perde la soluzione x=2; infatti, invece di √(x²) → |x|, si è operata
la trasformazione √(x2) → x,
cioè
Con le applicazioni per il
calcolo simbolico (ad es. con Derive o con Maple o col gratuito WolframAlpha) si possono
risolvere le equazioni sia automaticamente (ma solo in alcuni
casi, quando esiste un procedimento simbolico per farlo), sia
procedendo
passo per passo, applicando funzioni e
trasformando termini. Occorre tuttavia controllare i risultati che si
ottengono: a volte vengono eseguite delle semplificazioni "illecite"
o che cambiano il dominio, dando luogo alla perdita o alla aggiunta
di soluzioni, proprio come negli esempi di "errori" che abbiamo discusso in questa voce.
Metodi numerici e simbolici per risolvere le equazioni sono presenti nel software
R.
Notiamo che, spesso, data una funzione di una variabile F, viene chiamata zero
di F ogni soluzione dell'equazione
Per le equazioni polinomiali rimandiamo alla voce funzioni polinomiali.
Così come si parla di
termini equivalenti
così si parla di equazioni equivalenti; infatti le equazioni (e più in generale le condizioni)
possono essere considerate dei
termini se assegnamo ad esse dei valori di verità. Come per i termini, l'equivalenza di due
equazioni dipende dall'ambiente in cui ci si pone.
Ad esempio