Задача решения систем двух линейных уравнений с двумя
неизвестными нами полностью решена. Займёмся теперь системами,
содержащими более сложные уравнения. Мы не будем стремиться к
полному исследованию таких систем. Рассмотрим лишь некоторые
частные случаи.
Пример 1. Решите систему уравнений
\syst{x^2-3xy+3y^2=7,\\x-y=1.\\}
Решение.
\syst{x^2-3xy+3y^2=7,\\x-y=1\\}~\Leftrightarrow{}
\syst{x^2-3xy+3y^2=7,\\y=x-1\\}~\Leftrightarrow{}
\syst{x^2-3x(x-1)+3(x-1)^2=7,\\y=x-1\\}~\Leftrightarrow{}
\syst{x^2-3x-4=0,\\y=x-1\\}~\Leftrightarrow{}
\syst{(x-4)(x+1)=0,\\y=x-1\\}~\Leftrightarrow{}
\sovok{\syst{x=4,\\y=3,\\}\\\syst{x=-1,\\y=-2.\\}\\}
Пример 2. Решите систему уравнений
\syst{x^2-y^2=8,\\x+y=2.\\}
Решение.
\syst{x^2-y^2=8,\\x+y=2\\}~\Leftrightarrow{}
\syst{(x-y)(x+y)=8,\\x+y=2\\}~\Leftrightarrow{}
\syst{x-y=4,\\x+y=2\\}~\Leftrightarrow{}
\syst{x=3,\\y=-1.\\}
Пример 3. Решите систему уравнений
\syst{x^2-5y^2=11,\\xy=4.\\}
Решение.
\syst{x^2-5y^2=11,\\xy=4\\}~\Leftrightarrow{}
\syst{x^2-5y^2=11,\\y=\frac{4}{x}\\}~\Leftrightarrow{}
\syst{x^2-\frac{80}{x^2}=11,\\y=\frac{4}{x}\\}~\Leftrightarrow{}
\syst{x^4-11x^2-80=0,\\y=\frac{4}{x}\\}~\Leftrightarrow{}
\syst{(x^2-16)(x^2+5)=0,\\y=\frac{4}{x}\\}~\Leftrightarrow{}
\syst{(x-4)(x+4)=0,\\y=\frac{4}{x}\\}~\Leftrightarrow{}
\sovok{\syst{x=4,\\y=1,\\}\\\syst{x=-4,\\y=-1.\\}\\}
Пример 4. Решите систему уравнений
\syst{\frac{x}{x+y}+\frac{x+y}{x}=\frac{5}{2},\\2x^2-xy+y^2=2.\\}
Решение.
Обозначим
\frac{x}{x+y}=t
и решим уравнение
t+\frac{1}{t}=\frac{5}{2}.
Тогда
\syst{\frac{x}{x+y}+\frac{x+y}{x}=\frac{5}{2},\\2x^2-xy+y^2=2\\}~\Leftrightarrow{}
\sovok{\syst{\frac{x}{x+y}=2,\\2x^2-xy+y^2=2,\\}\\\syst{\frac{x}{x+y}=\frac{1}{2},\\2x^2-xy+y^2=2\\}\\}~\Leftrightarrow{}
\sovok{\syst{y=-\frac{1}{2}x,\\2x^2-xy+y^2=2,\\}\\\syst{y=x,\\2x^2-xy+y^2=2\\}\\}~\Leftrightarrow{}
\sovok{\syst{y=-\frac{1}{2}x,\\x^2=\frac{8}{11},\\}\\\syst{y=x,\\x^2=1\\}\\}~\Leftrightarrow{}
\sovok{\syst{x=2\sqrt{\frac{2}{11}},\\y=-\sqrt{\frac{2}{11}},\\}\\
\syst{x=-2\sqrt{\frac{2}{11}},\\y=\sqrt{\frac{2}{11}},\\}\\
\syst{x=1,\\y=1,\\}\\\syst{x=-1,\\y=-1.\\}\\}
Ответ:
\left(2\sqrt{\frac{2}{11}}; -\sqrt{\frac{2}{11}}\right),
\left(-2\sqrt{\frac{2}{11}};\sqrt{\frac{2}{11}}\right),
(1;1),
(-1;-1).
Пример 5. Решите систему уравнений
\syst{3x^2-xy+y^2=3,\\2x^2-xy-y^2=0.\\}
Решение.
Второе уравнение системы — однородное уравнение второй
степени. Оно решается так. Заметим, что
y\ne0,
так как в противном
случае из второго уравнения следовало бы, что
x=0,
а пара
(0;0)
не удовлетворяет первому уравнению. Разделив обе части второго
уравнения на
y^{2},
получим квадратное уравнение относительно
\frac{x}{y}\colon
2x^2-xy-y^2=0~\Leftrightarrow{}
2\left(\frac{x}{y}\right)^2-\frac{x}{y}-1=0~\Leftrightarrow{}
\sovok{\frac{x}{y}=1,\\\frac{x}{y}=-\frac{1}{2}\\}~\Leftrightarrow{}
\sovok{y=x,\\y=-2x.\\}
Поэтому
\syst{3x^2-xy+y^2=3,\\2x^2-xy-y^2=0\\}~\Leftrightarrow{}
\sovok{\syst{y=x,\\3x^2-xy+y^2=3,\\}\\\syst{y=-2x,\\3x^2-xy+y^2=3\\}\\}~\Leftrightarrow{}
\sovok{\syst{y=x,\\x^2=1,\\}\\\syst{y=-2x,\\x^2=\frac{1}{3}.\\}\\}
Ответ:
(1;1),
(-1;-1),
\left(\frac{\sqrt{3}}{3}; -\frac{2 \sqrt{3}}{3}\right),
\left(-\frac{ \sqrt{3}}{3}; \frac{2 \sqrt{3}}{3}\right).
Пример 6. Решите систему уравнений
\syst{6x^2-xy+y^2=8,\\x^2+2xy-y^2=1.\\}
Решение.
Умножим обе части второго уравнения на
-8
и результат
почленно сложим с первым уравнением:
\syst{6x^2-xy+y^2=8,\\x^2+2xy-y^2=1\\}~\Leftrightarrow{}
\syst{6x^2-xy+y^2=8,\\-8x^2-16xy+8y^2=-8\\}~\Leftrightarrow{}
\syst{-2x^2-17xy+9y^2=0,\\x^2+2xy-y^2=1.\\}
Первое уравнение полученной системы — однородное. Далее
поступаем как в предыдущем примере.
Ответ:
(1;2),
(-1;-2),
\left(-\frac{9\sqrt{62}}{62};\frac{\sqrt{62}}{62}\right),
\left(\frac{9\sqrt{62}}{62};-\frac{\sqrt{62}}{62}\right).
Симметрические системы
Определение.
Пусть многочлен от двух переменных
F(x;y)
не
изменяется, если
x
и
y
поменять местами,
т. е.
F(x;y)=F(y;x).
Тогда
F(x;y)
называется
симметрическим многочленом.
Примеры симметрических многочленов:
F(x;y)=x+y,
F(x;y)=xy,
F(x;y)=3x^{2}y+3xy^{2},
F(x;y)=x^{2}+y^{2},
F(x;y)=x^{57}+y^{57},
F(x;y)=57
и т. д.
Первые два из этих симметрических многочленов называются
элементарными симметрическими многочленами. Мы будем обозначать их
так:
x+y=a,
xy=b.
Иногда их по понятным причинам называют коэффициентами Виета.
Оказывается, любой симметрический коэффициент можно выразить
через элементарные симметрические многочлены. Например,
3x^{2}y+3xy^{2}=3(x+y)xy=3ab.
В дальнейшем нам понадобятся выражения через
a
и
b
некоторых
так называемых степенных сумм, т. е. симметрических многочленов вида
x^{n}+y^{n},
где
n~\tire
натуральное. Вот они:
x^{2}+y^{2}=x^{2}+2xy+y^{2}-2xy=(x+y)^{2}-2xy=a^{2}-2b,
x^{3}+y^{3}=(x+y)(x^{2}-xy+y^{2})=(x+y)((x+y)^{2}-3xy)=a(a^{2}-3b),
x^{4}+y^{4}=(x^{2}+y^{2})^{2}-2x^{2}y^{2}=(a^{2}-2b)^{2}-2b^{2}.
Система двух уравнений с двумя неизвестными называется
симметрической, если оба её уравнения симметрические. Заметим, что
если пара
(x; y)~\tire
решение симметрической системы, то и пара
(y;x)~\tire
решение этой системы. Рассмотрим несколько примеров решения
симметрических систем и систем, сводящихся к симметрическим.
Пример 7. Решите систему уравнений
Решение.
Можно выразить одно неизвестное из первого уравнения
и подставить во второе. Задача сведётся к решению квадратного
уравнения. А можно воспользоваться теоремой, обратной теореме
Виета: числа
x
и
y
являются корнями приведённого квадратного
уравнения
t^{2} + 4t + 3 = 0,
следовательно, решения системы:
x=-3,
y=-1
и
x=-1,
y=-3.
Ответ:
(-3;-1),
(-1; -3).
Пример 8. Решите систему уравнений
Решение.
Умножим обе части второго уравнения на
2\cdot (-3)=-6.
Получим
\syst{2x-3y=1,\\xy=2\\}~\Leftrightarrow~\syst{2x+(-3y)=1,\\2x\cdot(-3y)=-12.\\}
Решим квадратное уравнение с корнями
2x
и
(-3y)\colon
t^{2}-t-12=0~\Leftrightarrow~(t-4)(t+3)=0.
Тогда
\syst{2x-3y=1,\\xy=2\\}~\Leftrightarrow{}
\sovok{\syst{2x=4,\\-3y=-3,\\}\\\syst{2x=-3,\\3y=4\\}\\}~\Leftrightarrow{}
\sovok{\syst{x=2,\\y=1,\\}\\\syst{x=-\frac{3}{2},\\y=-\frac{4}{3}.\\}\\}
Ответ:
(2;1),
\left(-\frac{3}{2}; -\frac{4}{3}\right).
Пример 9. Решите систему уравнений
\syst{x^2+y^2=17,\\x+xy+y=9.\\}
Решение.
Обозначим
x+y=a,
xy=b.
Получим
\syst{a^2-2b=17,\\a+b=9\\}~\Leftrightarrow{}
\syst{a^2-2(9-a)=17,\\b=9-a\\}~\Leftrightarrow{}
\syst{a^2+2a-35=0,\\b=9-a\\}~\Leftrightarrow{}
\sovok{\syst{a=5,\\b=4,\\}\\\syst{a=-7,\\b=16.\\}\\}
Следовательно,
\syst{x^2+y^2=17,\\x+xy+y=9\\}~\Leftrightarrow{}
\sovok{\syst{x+y=5,\\xy=4,\\}\\\syst{x+y=-7,\\xy=16\\}\\}~\Leftrightarrow{}
\sovok{\syst{x=1,\\y=4,\\}\\\syst{x=4,\\y=1.\\}\\}
Система
решений не имеет (дискриминант
соответствующего квадратного уравнения
t^{2}+7t+16=0
отрицателен).
Уравнение окружности
Рассмотрим окружность радиуса
R
с центром в начале координат.
Если точка
M(x;y)
лежит на этой окружности, то
x^{2}+y^{2}=R^{2}.
Верно и обратное: если числа
x
и
y
удовлетворяют уравнению
x^{2}+y^{2}=R^{2},
то точка
M(x;y)
принадлежит исходной окружности.
В таком случае говорят, что
x^{2}+y^{2}=R^{2}~\tire
уравнение окружности.
Если центр окружности радиуса
R
имеет координаты
(a;b),
то её уравнение имеет вид
(x-a)^{2}+(y-b)^{2}=R^{2}.
Рассмотрим систему двух уравнений, одно из которых — уравнение
прямой, а второе — уравнение окружности. Например:
\syst{(x-2)^2+(y-1)^2=25,\\4x-3y=5.\\}
Решив эту систему методом подстановки, получим два решения:
x=5,
y=5
и
x=-1,
y=-3.
Это значит, что прямая и окружность
имеют ровно две общие точки (пересекаются в двух точках):
(5;5)
и
(-1;-3).
Таким образом, мы решили систему уравнений и дали
геометрическое истолкование решения.
Задачи
31.1. Решите системы уравнений:
\mbox{а)}~~\syst{9x^2-4y^2=0,\\x+y=5;\\}~~
\mbox{б)}~~\syst{5x^2-xy-2y^2=2,\\2x-y=1;\\}~~
\mbox{в)}~~\syst{2x^2-3xy=0,\\2x+3y=1;\\}~~
\mbox{г)}~~\syst{x^2-y^2+x+y=12,\\x-y=2;\\}~~
\mbox{д)}~~\syst{2x^2-y^2-x+y+1=0,\\4x^2-y^2=0.\\}
31.2. Решите системы уравнений:
\mbox{а)}~~\syst{\frac{x}{y}+\frac{y}{x}=\frac{10}{3},\\x+y=16;\\}~~
\mbox{б)}~~\syst{\frac{x-y}{x}-\frac{x}{x-y}=\frac{8}{3},\\5x+y-3=0;\\}~~
\mbox{в)}~~\syst{x^2+y=y^2+x,\\y^2+x=6;\\}~~
\mbox{г)}~~\syst{y^2-xy=-12,\\x^2-xy=28;\\}~~
\mbox{д)}~~\syst{(x-y)xy=30,\\(x+y)xy=120;\\}~~
\mbox{е)}~~\syst{5x^2-3xy-2y^2=0,\\3x^2+2xy+y^2=6;\\}~~
\mbox{ж)}~~\syst{2x^2+y^2=6,\\3x^2+2xy-y^2=3;\\}~~
\mbox{з)}~~\syst{x^2+2xy-3y^2=12,\\2x^2-5xy+3y^2=6.\\}
31.3. Решите системы уравнений:
\mbox{а)}~~\syst{x+y=10,\\xy=24;\\}~~
\mbox{б)}~~\syst{x+y=3,\\x^2+y^2=29;\\}~~
\mbox{в)}~~\syst{x+y+\frac{x}{y}=9,\\\frac{(x+y)x}{y}=20;\\}~~
\mbox{г)}~~\syst{x^2-xy+y^2=7,\\x+y=5;\\}~~
\mbox{д)}~~\syst{x^2+y^2=20,\\xy=8;\\}~~
\mbox{е)}~~\syst{x+y+xy=5,\\x^2+y^2+xy=7;\\}~~
\mbox{ж)}~~\syst{x^3+y^3=35,\\x+y=5;\\}~~
\mbox{з)}~~\syst{x^3+y^3=7,\\xy(x+y)=-2;\\}~~
\mbox{и)}~~\syst{x^2y+xy^2=6,\\xy+x+y=5;\\}~~
\mbox{к)}~~\syst{x^2+y^2=34,\\x+y+xy=23;\\}~~
\mbox{л)}~~\syst{x+y+xy=7,\\x^2+y^2+xy=13;\\}~~
\mbox{м)}~~\syst{x^3+y^3=19,\\x^2y+xy^2=-6;\\}~~
\mbox{н)}~~\syst{x^4+x^2y^2+y^4=91,\\x^2+xy+y^2=13;\\}~~
\mbox{о)}~~\syst{x^4+y^4=17,\\x^2+y^2=5;\\}~~
\mbox{п)}~~\syst{x^2+y^2-x-y=102,\\xy+x+y=69;\\}~~
\mbox{р)}~~\syst{10(x^4+y^4)=-17(x^3y+xy^3),\\x^2+y^2=5;\\}~~
\mbox{с)}~~\syst{9(x^4+y^4)=17(x+y)^2,\\3xy=-2(x+y).\\}
31.4. а) Докажите, что для любого натурального
n
степенную сумму
x^{n}+y^{n}
можно представить в виде многочлена от элементарных
симметрических многочленов.
б) Докажите, что любой симметрический многочлен
F(x;y)
можно
представить в виде многочлена от элементарных симметрических
многочленов.
31.5. Изобразите на координатной плоскости множество точек,
координаты которых удовлетворяют следующему условию:
\mbox{а)}~~\syst{x^2+y^2\le16,\\x+y\ge0;\\}~~
\mbox{б)}~~\syst{x^2+y^2\le36,\\|x|+|y|\ge6;\\}~~
\mbox{в)}~~\syst{x^2+y^2\le5,\\xy\ge2;\\}~~
\mbox{г)}~~\syst{1\le(x-4)^2+(y+3)^2\le25,\\|x-y|\le1;\\}~~
\mbox{д)}~~\syst{(|x|-2)^2+(|y|-2)^2\ge4,\\|x|+|y|\le2.\\}
31.6. Найдите все значения
c
при каждом из которых следующая
система уравнений имеет ровно одно решение:
\mbox{а)}~~\syst{x^2+y^2=16,\\2x+y=c;\\}~~
\mbox{б)}~~\syst{x^2+y^2-2cx=9-c^2,\\(x+4)^2=(5-y)(5+y).\\}
31.7. Найдите все значения
c
при каждом из которых следующая
система уравнений имеет ровно два решения:
\mbox{а)}~~\syst{x^2+y^2=4,\\|x-y|=c;\\}~~
\mbox{б)}~~\syst{x^2+y^2=25,\\y-c|x|=13;\\}~~
\mbox{в)}~~\syst{x^2+y^2=8,\\xy=c;\\}~~
\mbox{г)}~~\syst{x^2+y^2=c^2,\\3x-4|y|=-3;\\}~~
\mbox{д)}~~\syst{(x-c)^2+y^2=50,\\x+|y|=13;\\}~~
\mbox{е)}~~\syst{x^2+y^2-2c(x+y)=9-2c^2,\\|x+y|=3.\\}
31.8. Составьте уравнение прямой, касающейся двух парабол:
y=x^2-10x+27
и
y=-x^2+6x-13.
Дополнительные задачи
31.9. Решите системы уравнений:
\mbox{а)}~~\syst{10x^2+5y^2-2xy-38x-6y+41=0,\\3x^2-3y^2+5xy-17x-6y+20=0;\\}~~
\mbox{б)}~~\syst{x^2y^2-2x+y^2=0,\\2x^2-4x+3+y^3=0;\\}~~
\mbox{в)}~~\syst{x^2y+y+xy^2+x=18xy,\\x^4y^2+y^2+x^2y^4+x^2=208x^2y^2.\\}
31.10. Решите системы уравнений:
\mbox{а)}~~\syst{xy=x+y-z,\\xz=2(x-y+z),\\yz=3(y-x+z);\\}~~
\mbox{б)}~~\syst{x^2-y^2+z=\frac{8}{xy},\\y^2-z^2+x=\frac{8}{yz},\\z^2-x^2+y=\frac{8}{xz};\\}~~
\mbox{в)}~~\syst{4xy+y^2+2z^2=-3,\\4zx+x^2+2z^2=1,\\8yz+y^2+2z^2=1;\\}~~
\mbox{г)}~~\syst{y^3-9x^2+27x-27=0,\\z^3-9y^2+27y-27=0,\\x^3-9z^2+27z-27=0;\\}~~
\mbox{д)}~~\syst{x+y+z=1,\\xy+yz+xz=-4,\\x^3+y^3+z^3=1;\\}~~
\mbox{е)}~~\syst{x+y+z=2,\\x^2+y^2+z^2=6,\\x^3+y^3+z^3=8;\\}~~
\mbox{ж)}~~\syst{y+2=(3-x)^3,\\(2z-y)(y+z)=9+4y,\\x^2+z^2=4x,\\z\ge0;\\}~~
\mbox{з)}~~\syst{x^2+6y-z^2=-6,\\y^2+4x+z=-4,\\7x-11y+2z(z+1)=4.\\}
31.11. Решите систему уравнений
\syst{x^2+[y]=10,\\y^2+[x]=13,\\}
где
[x]
и
[y]~\tire
целые части чисел
x
и
y.
СВЕРНУТЬ ↑