Kuadratik formül

testwiki sitesinden
Gezinti kısmına atla Arama kısmına atla
Roots of a quadratic function
Şablon:Ortala

Temel cebirde, kuadratik formül, bir ikinci dereceden denklemin köklerini (çözümlerini) bulan bir formüldür. İkinci dereceden bir denklemi çözmek için ikinci dereceden formülü kullanmak yerine çarpanlara ayırma (doğrudan çarpanlara ayırma, gruplama, AC yöntemi), tam kareye tamamlama, grafik çizme ve diğerleri gibi başka yollar da vardır.[1]

Genel forma sahip ikinci dereceden denklemi verildiğinde

ax2+bx+c=0

bilinmeyen Şablon:Matematik; Şablon:Matematik, Şablon:Matematik ve Şablon:Matematik sabitlerken Şablon:Matematik olmasıyla, kuadratik formül:x=b±b24ac2a buradaki artı eksi işareti "±" ikinci dereceden denklemin iki çözümü olduğunu gösterir.[2] Formülden gelen çözümler (x1 ve x2) ayrı yazıldığında:

x1=b+b24ac2avex2=bb24ac2a

Bu iki çözümün her birine ikinci dereceden denklemin kökü (veya sıfırı) denir. Geometrik olarak, bu kökler Şablon:Matematik olarak verilen parabolün, Şablon:Matematik ekseni üzerinden geçerinden geçtiği noktalar ve değerlerdirler.[3]

Kuadratik formül, herhangi bir parabolün köklerini veren bir formül olmasının yanı sıra, parabolün simetri eksenini[4] ve ikinci dereceden denklemin içerdiği gerçek köklerin sayısını, köklerin toplamlarını ve çarpımlarını, belirlemek için de kullanılabilir.[5]

Eşdeğer formülasyonlar

Kuadratik formül şu şekilde de yazılabilir:

x=b2a±b24ac4a2  ,

ve bu da şu şekilde sadeleştirilebilir:

x=(b2a)±(b2a)2ca  .

Formülün bu versiyonu, karmaşık kökler söz konusu olduğunda kullanışlıdır. Bu durumda, karekök dışındaki ifade gerçek (reel) kısım olacaktır ve karekökün içindeki ifade ise sanal (imajiner) kısım olacaktır. Karekök içindeki ifade diskriminanttır.

x= b2a±i|( b2a)2ca|  .

Muller'in yöntemi

Daha az bilinen, Muller yönteminde kullanılan ve Vieta formüllerinden bulunabilen, kuadratik formül, denklemi aracılığıyla aynı kökleri sağlar:

x=2cb±b24ac=2cbb24ac   .

Alternatif parametrelendirmelere dayalı formülasyonlar

İkinci dereceden denklemin standart parametrizasyonu şöyledir:

ax2+bx+c=0  .

Bazı kaynaklar, özellikle daha eski olanlar, ikinci dereceden denklemin şu şekilde olabilecek alternatif parametrelendirmelerini kullanır

b1=b/2 iken, ax22b1x+c=0[6]

veya

b2=b/2 iken, ax2+2b2x+c=0.[7]

Bu alternatif parametrelendirmeler, çözüm için biraz farklı formlarla sonuçlanır, ancak bunlar standart olan parametreleştirmeye eşdeğerdir.

Formülün türetimi

Literatürde ikinci dereceden formülü türetmek için birçok farklı yöntem mevcuttur. Standart türetim, tam kareye tamamlama yönteminin basit bir uygulamasıdır.[8][9][10][11] Alternatif yöntemler bazen tam kareye tamamlamaktan daha basittir ve matematiğin diğer alanları üzerinde ilginç bir kavrayış sağlayabilir.

"Tam Kareye tamamlama" tekniğini kullanarak

Standart yöntem

İkinci dereceden denklemi a'ya bölün, buna izin verildiği için a sıfır olmayan bir sayı olmalıdır:

x2+bax+ca=0  .
iki taraftan da ca çıkarın, böylece şu denklemi elde edersiniz:

x2+bax=ca  . Bu ikinci dereceden denklem şimdi tam kareye tamamlama yönteminin uygulanabileceği bir formdadır. Hatta, denklemin her iki tarafına, sol tarafı tam bir kare olacak şekilde bir sabit ekleyerek, ikinci dereceden denklem şu hale getirilebilir:

x2+bax+(b2a)2=ca+(b2a)2  ,

ve şu şekilde sadeleştirilebilir:

(x+b2a)2=ca+b24a2  .

Buna göre, sağ taraftaki terimleri ortak bir paydaya sahip olacak şekilde yeniden düzenledikten sonra elde edilen eşitlik şu hale gelir:

(x+b2a)2=b24ac4a2  .

Böylece tam kare tamamlanır. Eşitliğin her iki tarafının karekökünü almak aşağıdaki denklemi verir:

x+b2a=±b24ac 2a  .

Bu durumda, x'i tek başına bırakmak kuadratik formülü verir:

x=b±b24ac 2a  .

Bu türetmenin küçük farklılıklar içeren birçok alternatifi vardır, bunlar çoğunlukla a sabitinin manipülasyonunu ilgilendirir.

İkinci yöntem

Son birkaç on yılda yayınlanan cebir metinlerinin çoğu, daha önce sıralanmış basamakları kullanarak tam kareye tamamlamayı öğretir:

  1. Polinomu monik yapmak için her iki tarafı da a'ya bölün.
  2. Eşitliği düzenleyin.
  3. Kareye tamamlamak için her iki tarafa (b2a)2 ekleyin.
  4. Sağ taraftaki terimleri ortak bir paydaya sahip olacak şekilde yeniden düzenleyin.
  5. Her iki tarafın da karekökünü alın.
  6. x’i yalnız bırakın.

Karenin tamamlanması, bazen daha kısa ve basit bir sıralama ile de gerçekleştirilebilir:[12]

  1. Her iki tarafı da 4a’yla çarpın,
  2. Eşitliği düzenleyin.
  3. Kareye tamamlamak için her iki tarafa b2 ekleyin.
  4. Her iki tarafın karekökünü alın.
  5. x’i yalnız bırakın.

Bu durumda, ikinci dereceden formül aşağıdaki gibi de türetilebilir:

ax2+bx+c=04a2x2+4abx+4ac=04a2x2+4abx=4ac4a2x2+4abx+b2=b24ac(2ax+b)2=b24ac2ax+b=±b24ac2ax=b±b24acx=b±b24ac2a  .

İkinci dereceden formülün bu türetimi antiktir ve Hindistan'da en geç 1025 yılından beri bilinmektedir.[13] Standart yöntemin türetimiyle karşılaştırıldığında, bu alternatif türetim, son aşamaya kadar kesirleri ve karesi alınan kesirleri önler ve bu nedenle, sağ tarafta ortak bir payda elde etmek için üçüncü aşamadan sonra yeniden düzenleme gerektirmez.[12]

Üçüncü yöntem

Standart yönteme benzer olarak, eşitliğin sol tarafını bir monik polinom yapmak için (mesela, x2’nin katsayısı 1 olur) ikinci dereceden denklemin iki tarafını da a ile bölün.

x2+bax+ca=0  .

Denklemi daha kompakt ve kolayca değiştirilebilir bir biçimde yazın:

x2+Bx+C=0

B=ba ve C=ca iken.

İlk iki terime B24 ekleyin ve eşitliği korumak için son terimden B24 çıkarın. Böylece, ilk iki terimle beraber olan B24 bir kare olacaktır.

(x+B2)2+(CB24)=0

Sol tarafı iki kare farkı haline gelecek şekilde yeniden düzenleyin:

(x+B2)2(B24C)2=0

çarpanlarına ayırın:

(x+B2+B24C)(x+B2B24C)=0

bu durumdan da anlaşılacaktır ki, ya

x+B2+B24C=0

ya da

x+B2B24C=0

Elde edilen bu iki lineer denklem,

x

tek başına bırakılarak,

x

için şu şekilde çözülebilir:

x=B2B24C

veya

x=B2+B24C
B

ve

C

’yi, sırasıyla

ba

ve

ca

olarak, yeniden ifade ederek ikinci dereceden formül elde edilebilir. Bu değerler, aynı sırada, köklerin toplamının negatifi ve diğerinin de köklerin çarpımına eşit olmasıyla kolaylı sağlayabilir.

Yerine koyma tekniğini kullanarak

Diğer bir teknik, yerine koyma yöntemiyle çözümdür.[14] Bu teknikle x=y+m eşitliğini kullanarak, ikinci dereceden denklemdeki x değişkeninin yerine y+m ifadesi koyulur:

a(y+m)2+b(y+m)+c=0  .

Sonuç genişletilip, terimler y’nin kuvvetlerine göre sıralandığında:

ay2+y(2am+b)+(am2+bm+c)=0  .

y ve m üzerine henüz ikinci bir şart koyulmadığından, üstteki denklemin orta terimi yok edecek şekilde bir m değeri seçilmelidir. Bu değer, 2am+b=0 veya m=b2a’dır. Sabit terim (sağ tarafa taşınması için) denklemin her iki tarafından çıkarılıp iki taraf da a ile bölünür:

y2=(am2+bm+c)a  .

m değeri yerine koyulduğunda:

y2=(b24a+b22a+c)a=b24ac4a2  .

Böylece,

y=±b24ac2a

y’yi, x bakımından, x=y+m=yb2a eşitliği kullanılarak, ifade edildiğinde, standart kuadratik formül tekrar elde edilebilir:

x=b±b24ac2a  .

Cebirsel eşitlikleri kullanarak

Bu yöntem tarihteki birçok matematikçi tarafından kullanılmıştır:[15]

İkinci dereceden denklemin kökleri Şablon:Matematik ve Şablon:Matematik olsun, türetme şu eşitlik üzerinden başlar:

(r1r2)2=(r1+r2)24r1r2  .

Her iki tarafın da karekökü alındığında şu elde edilir:

r1r2=±(r1+r2)24r1r2  .

Standart formdaki ikinci dereceden, denklemin baş katsayısı, Şablon:Matematik olduğundan, aynı köklere sahip ikinci dereceden bir polinom elde etmek için standart denklemi Şablon:Matematik ile bölebiliriz. Yani,

x2+bax+ca=(xr1)(xr2)=x2(r1+r2)x+r1r2  .

Buradan da görülebileceği gibi standart ikinci dereceden denklemin köklerinin toplamının Şablon:Matematik ile verildiğini ve bu köklerin çarpımının Şablon:Matematik ile verildiğini görebiliriz. Dolayısıyla eşitlik şu şekilde tekrar yazılabilir:

r1r2=±(ba)24ca=±b2a24aca2=±b24aca  .

Şimdi,

r1=(r1+r2)+(r1r2)2=ba±b24aca2=b±b24ac2a  .

Şablon:Matematik olduğundan, eğer:

r1=b+b24ac2a

ise, o zaman bunu elde ederiz:

r2=bb24ac2a  ;

ve eğer onun yerine

r1=bb24ac2a

olarak alırsak, o zaman da bunu elde ederiz:

r2=b+b24ac2a  .

Elde ettiğimiz sonuçları standart ± kısaltmasıyla birleştirebiliriz. Böylece, ikinci dereceden denklemin çözümleri:

x=b±b24ac2a  .

Lagrange çözücülerini kullanarak

İkinci dereceden formülü elde etmenin başka bir yolu, Galois teorisinin erken bir parçası olan Lagrange çözücüleri[16] yöntemidir.[17] Bu yöntem, kübik polinomların ve kuartik polinomların köklerini vermek için de genelleştirilebilir ve herhangi bir derecedeki cebirsel denklemlerin çözümünü, köklerinin simetri grubu olan Galois grubu açısından anlaşılmasını sağlayan Galois teorisine götürür.

Bu yaklaşım, orijinal denklemi yeniden düzenlemekten çok köklere odaklanır. İkinci dereceden bir monik polinom verildiğinde;

x2+px+q  ,

çarpanlarına ayrıldığını varsayalım

x2+px+q=(xα)(xβ)  ,

parantezleri açarsak

x2+px+q=x2(α+β)x+αβ  ,

bu da bize şu eşitlikleri sağlayacaktır: Şablon:Matematik ve Şablon:Matematik .

Çarpmanın değişme özelliğinden dolayı, p ve q değerleri değişmezken α ve β 'nın yerleri değiştirebilir ve: p ve q'nun α ve β içinde simetrik polinomlar olduğu söylenebilir. Aslında, bunlar temel simetrik polinomdurlar - herhangi bir simetrik polinom içinde α ve β, α+β ve αβ cinsinden ifade edilir. Galois teorisinin polinomları çöze ve analiz etme yaklaşımı şudur: kat sayıları verilen bir polinomun ki bunlar köklerin içinde simetrik fonksiyonlardır, bir şekilde "simetriyi kırıp" kökler bulunabilir mi? Bu nedenle, Şablon:Matematik dereceli bir polinomun çözülmesi, n harfin üzerindeki simetrik grubu olarak adlandırılan ve Şablon:Matematik ile gösterilen Şablon:Matematik tane terimin yeniden düzenleme ("permütasyon") yollarıyla ilgilidir. Kuadratik polinom için, iki terimi yeniden düzenlemenin tek yolu onların yerini değiştirmektir (onları "transpoze etmektir") ve böylece ikinci dereceden bir polinomu çözmek basittir.

α ve β köklerini bulmak için toplamlarını ve farklarını ele alalım:

r1=α+βr2=αβ  .

Bunlar polinomun Lagrange çözücüleri olarak adlandırılır; bunlardan birinin köklerin sırasına bağlı olduğuna dikkat edin, bu kilit bir noktadır. Yukarıdaki denklemleri ters çevirerek çözücülerden kökler de çıkarılabilir:

α=12(r1+r2)β=12(r1r2)  .

Böylece, çözücüleri çözmek orijinal kökleri verir.

Şimdi α ve β'ya göre r1=α+β simetrik bir fonksiyondur, bu nedenle p ve q cinsinden ifade edilebilir ve aslında önceki x2+px+q notasyonunda belirtildiği gibi Şablon:Matematik olacaktır. Ancak α ve β, yerleri değiştirildiğinde farklı bir sonuç olarak Şablon:Matematik verdiğinden r2=αβ simetrik değildir (formal olarak bu, köklerin simetrik grubunun bir grup hareketi olarak adlandırılır). Şablon:Matematik simetrik olmadığından, p ve q katsayılarıyla ifade edilemez, çünkü bunlar simetriktir ve dolayısıyla onları içeren herhangi bir polinom ifadesi de öyle olmalıdır. Köklerin sırasını değiştirmek sadece Şablon:Matematik'yi -1 faktörüyle değiştirir ve böylece Şablon:Matematik şeklinde yazılan bir eşitlik köklerde simetriktir ve bu nedenle p ve q cinsinden ifade edilebilir. Denklemi kullanarak aşağıdakiler çıkarılabilir:

(αβ)2=(α+β)24αβ  

bu eşitliği yukarıda bulduklarımızla sadeleştirirsek

r22=p24q  

olacaktır ve böylece

r2=±p24q  

Pozitif kökün alınacağını var sayıp, simetriyi bozarsak, şu elde edilir:

r1=pr2=p24q

ve böylece

α=12(p+p24q)β=12(pp24q)  .

Böylece kökler

12(p±p24q)

olacaktır, bu ikinci dereceden formüldür. Şablon:Matematik eşitlikleri kullanılarak monic monik olmayan kuadratiklerin genel olarak bilinen hali tekrar elde edilebilir. Çözücüler şu şekilde tanınabilir: Şablon:Matematik tepe noktasıdır ve Şablon:Matematik ayırt edici, yani diskriminanttır (monik bir polinomun).

Benzer ancak daha karmaşık bir yöntem kübik denklemler için de vardır, üç çözücü ve Şablon:Matematik ve Şablon:Matematik ile ilgili ikinci dereceden bir denklemle (buna "çözüm polinomu" denir) çözülebilir ve benzer şekilde bir kuartik denklem (4.dereceden denklem) için, çözüm polinomu kübiktir ve bu da çözülebilir.[16] Beşinci dereceden denklem için aynı yöntem, problemi basitleştirmeyen 24 dereceli bir polinom verir ki aslında da beşinci dereceden denklemlerin çözümleri genel olarak yalnızca kökler kullanılarak ifade edilemez.

Tarihsel gelişim

Atina Okulu

İkinci dereceden denklemleri çözmek için üretilen en eski yöntemler geometriktir. Babil çivi yazısı tabletleri, ikinci dereceden denklemleri çözmeye indirgenebilen problemler içerir.[18] Orta Krallık'a (MÖ 2050 - MÖ 1650) dayanan Mısır Papirüsü, iki terimli ikinci dereceden bir denklemin çözümünü içerir.[19]

Yunan matematikçi Öklid (Şablon:Yaklaşık MÖ 300), etkili bir matematiksel inceleme olan Elementler Kitabının ikincisinde ikinci dereceden denklemleri çözmek için geometrik yöntemler kullanmıştır. İkinci dereceden denklemler için kurallar MÖ 200 dolaylarında Çin'de "Matematik Sanatı Üzerine Dokuz Bölüm"de görünür.[20][21] Yunan matematikçi Diophantus (MS 250 civarı) Arithmetica adlı çalışmasında, ikinci dereceden denklemleri Öklid'in geometrik cebirinden daha tanınabilir cebirsel bir yöntemle çözdü.[22] Çözümü, her iki kök de pozitif olsa bile yalnızca bir kök verir.[23]

Hint matematikçi Brahmagupta (MS 597-668), MS 628'de yayınlanan Brāhmasphuṭasiddhānta eserinde[24] ikinci dereceden formülü açık bir şekilde tanımlamıştır, ancak semboller yerine kelimelerle yazılmıştır.[25] Brahmagupta'nın ikinci dereceden denklem Şablon:Matematik'ye çözümü şöyleydi: "Karenin [katsayısının] dört katı ile çarpılan mutlak [sabit terim olan] sayıya [orta terimin katsayısı] karesini ekleyin; aynı, orta terimin [katsayısı] eksi, karenin [katsayısı] iki katına bölünmesi değerdir [çözümdür]."[26] Bu şuna eşdeğerdir:

x=4ac+b2b2a  .

9. yüzyılda İranlı matematikçi Muḥammad ibn Mūsā al-Khwārizmī, ikinci dereceden denklemleri cebirsel olarak çözdü.[27] Tüm vakaları kapsayan ikinci dereceden formül ilk olarak 1594'te Simon Stevin[28] tarafından bulundu. 1637'de René Descartes, bugün bildiğimiz formdaki ikinci dereceden formülün özel durumlarını içeren La Géométrie’yi yayınladı.[29]

Önemli kullanımlar

Geometrik önemi

Şablon:Ortala Şablon:* Kökleri ve y ekseniyle kesiştiği noktaların Şablon:RenkylaŞablon:Kır Şablon:* Tepe noktası ve simetri ekseninin Şablon:RenkyleŞablon:Kır Şablon:* Odak ve doğrultman doğrularının Şablon:RenkyleŞablon:Kır gösterildiği grafiği

Koordinat geometrisi açısından, bir parabol, Şablon:Matematik koordinatları ikinci derece bir polinom ile tanımlanan bir eğridir, yani formun herhangi bir denklemi:

y=p(x)=a2x2+a1x+a0  ,

burada p, ikinci dereceden bir polinomunu temsil eder ve Şablon:Matematik ve Şablon:Matematik olmak üzere alt indis ilgili terimin derecesine karşılık gelen sabit katsayılardır. Çözüm olarak çözdüğü ikinci dereceden formülün parabolünün x ekseninden geçeceği yeri vermesidir. Ek olarak, kuadratik formüle iki terimli olarak bakıldığında,

x=b±b24ac 2a=b2a±b24ac 2a

böylelikle simetri ekseni, Şablon:Matematik doğrusu olarak görünür. Diğer terim, Şablon:Matematik, köklerin simetri ekseninden uzaklığını verir, burada artı işareti sağdaki mesafeyi ve eksi işareti soldaki mesafeyi temsil eder.

Bu mesafe terimi sıfıra düşürülürse simetri ekseni kökün Şablon:Matematik değeri olacaktır, yani ikinci dereceden denklemin tek bir olası çözümü olacaktır. Cebirsel olarak bu, Şablon:Matematik veya basitçe Şablon:Matematik (burada sol taraf diskriminant olarak adlandırılır). Bu, parabolün diskriminantının, parabolün kaç sıfıra sahip olacağını gösterdiği üç durumdan biridir. Diskriminant pozitifse, mesafe sıfır olmayacak ve iki çözüm olacaktır. Bununla birlikte, diskriminantın sıfırdan küçük olduğu bir durum da vardır ve bu, mesafenin imajiner olacağını gösterir.Şablon:Sndveya karmaşık birim Şablon:Matematik'nin bir katı olarak, burada Şablon:MatematikŞablon:Sndve parabolün sıfırları karmaşık sayı olacaklardır. Karmaşık kökler, karmaşık olarak eşlenik olacaktır ve burada karmaşık köklerin gerçek kısmı simetri ekseninin değeri olacaktır. Parabolün Şablon:Matematik ekseniyle kesiştiği yerde Şablon:Matematik gerçek değerleri olmayacaktır.

Şablon:Matematik, Şablon:Matematik ve/veya Şablon:Matematik sabitleri birimsiz değilse, o zaman x'in biriminin ba'nın birimine eşit olması gerekir, bu gerekliliğin sebebi Şablon:Matematik ve Şablon:Matematik birimleri üzerinde uyumlu olmasıdır. Ayrıca, aynı mantıkla, Şablon:Matematik'nin birimi şu birime eşit olmalıdır: b2a için çözmeden doğrulanabilir. Bu, fiziksel büyüklüklerin ikinci dereceden ifadesini çözmeden önce, doğru bir şekilde kurulduğunu doğrulamak için güçlü bir araç olabilir.

Ayrıca bakınız

Kaynakça

Şablon:Kaynakça

  1. Şablon:Web kaynağı
  2. Şablon:Kaynak
  3. Şablon:Web kaynağı
  4. Şablon:Web kaynağı
  5. Şablon:Web kaynağı
  6. Şablon:Kaynak
  7. Şablon:Kaynak
  8. Şablon:Kaynak, Chapter 13 §4.4, p. 291 Şablon:Webarşiv
  9. Li, Xuhui. An Investigation of Secondary School Algebra Teachers' Mathematical Knowledge for Teaching Algebraic Equation Solving, p. 56 (ProQuest, 2007): "The quadratic formula is the most general method for solving quadratic equations and is derived from another general method: completing the square."
  10. Rockswold, Gary. College algebra and trigonometry and precalculus, p. 178 (Addison Wesley, 2002).
  11. Beckenbach, Edwin et al. Modern college algebra and trigonometry, p. 81 (Wadsworth Pub. Co., 1986).
  12. 12,0 12,1 Şablon:Akademik dergi kaynağı
  13. Şablon:Kitap kaynağı
  14. Joseph J. Rotman. (2010). Advanced modern algebra (Vol. 114). American Mathematical Soc. Section 1.1
  15. Şablon:Akademik dergi kaynağı
  16. 16,0 16,1 Clark, A. (1984). Elements of abstract algebra. Courier Corporation. p. 146.
  17. Şablon:Kaynak, §6.2, p. 134 Şablon:Webarşiv
  18. Şablon:Kitap kaynağı
  19. Şablon:Kitap kaynağı
  20. Şablon:Web kaynağı
  21. Şablon:Kitap kaynağı
  22. Şablon:Kitap kaynağı
  23. Şablon:Kitap kaynağı
  24. Bradley, Michael. The Birth of Mathematics: Ancient Times to 1300, p. 86 (Infobase Publishing 2006).
  25. Mackenzie, Dana. The Universe in Zero Words: The Story of Mathematics as Told through Equations, p. 61 (Princeton University Press, 2012).
  26. Şablon:Kitap kaynağı
  27. Şablon:Kitap kaynağı
  28. Şablon:Kaynak
  29. Şablon:Kitap kaynağı