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4.1. Ecuaciones polinómicas

Diccionario

Babilonios

La imagen muestra el mapa de Babilonia en tiempos de Hammurabi.

Definición:

Personas que vivían en una ciudad muy antigua llamada Babilonia.

Ejemplo:

Los babilonios eran habitantes de Babilonia.

Pierre dice...

Durante los años anteriores has visto ecuaciones polinómicas de primer grado, de segundo grado, pero hay casos particulares que son muy interesantes. Aquí vamos a ver esos casos y nos vamos a adentrar en resolver ecuaciones polinómicas de cualquier grado. 

Las matemáticas, aunque no lo creas, también evolucionan. Pasa y lo comprobarás.

Lectura facilitada

Durante los años anteriores has visto: 

  • Ecuaciones polinómicas de primer grado. 
  • Ecuaciones polinómicas de segundo grado. 

Aquí vas a ver casos particulares de:

  • Las ecuaciones polinómicas de primer y segundo grado. 
  • Vas a resolver ecuaciones polinómicas de cualquier grado.

Las matemáticas también evolucionan. 

Pasa y lo comprobarás.

1. Primer grado, ¡¡¡allá vamos!!!

La resolución de las ecuaciones consistía en encontrar sus soluciones. Sería genial poder encontrar esos números tan importantes llamados SOLUCIONES de una ecuación ¿verdad? -le dice Pierre a Megan- pues vamos a ello. Empezamos con las ecuaciones de primer grado.

  1. Vamos a ver un ejemplo, en grupos de 3 ó 4 personas, vamos a resolver la siguiente ecuación. 

$$\begin{equation} \tag{Eq} \label{eq} \frac{x+3}{4}-\frac{2(1-x)}{8}=\frac{3x+1}{6}+4 \end{equation}$$

Lectura facilitada

La resolución de las ecuaciones consiste en encontrar sus soluciones.

Empieza con las ecuaciones de primer grado.

  1. En grupos de 3 ó 4 personas resuelve con tus compañeros y compañeras
    la siguiente ecuación. 

\frac{x+3}{4}-\frac{2(1-x)}{8}=\frac{3x+1}{6}+4

Resolución paso a paso

Ecuación

$$\begin{equation} \tag{Eq}  \frac{x+3}{4}-\frac{2(1-x)}{8}=\frac{3x+1}{6}+4 \end{equation}$$

Paso 1

Multiplico por el mínimo común múltiplo de 4, 8 y 6

$$\begin{equation}24\left(\frac{x+3}{4}-\frac{2(1-x)}{8}\right)=24\left(\frac{3x+1}{6}+4\right)\end{equation}$$

$$\begin{equation}6(x+3)-6(1-x)=4(3x+1)+96\end{equation}$$

Paso 2

Quito paréntesis aplicando la propiedad distributiva del producto respecto a la suma y/o la resta.

$$\begin{equation}6x+18-6+6x=12x+4+96\end{equation}$$

Paso 3

Reordeno:

$$\begin{equation}6x+6x-12x=4+96-18+6\end{equation}$$

Paso 4

Despejamos la incógnita:

$$\begin{equation}0=88\end{equation}$$

¿Qué ha pasado? $88\neq0$ luego la ecuación NO tiene solución. Da igual el número que sustituya la letra, que nunca se va a verificar la igualdad.

Si nos saliera un número igual al mismo número; 8=8 por ejemplo, tendría infinitas soluciones debido a que puedo sustituir la letra por cualquier número y la igualdad siempre se cumpliría (identidad).

Paso 5

Compruebo que la solución es correcta sustituyendo en $\eqref{eq}$ la x por el valor encontrado y operando. En este caso da igual el número que sustituya, así que por ejemplo escojo el 11:

$$\begin{equation}\frac{11+3}{4}-\frac{2(1-11)}{8}=\frac{33+1}{6}+4\end{equation}$$

$$\begin{equation}\frac{14}{4}+\frac{20}{8}=\frac{34}{6}+4\end{equation}$$

$$\begin{equation}\frac{28}{8}+\frac{20}{8}=\frac{29}{3}\end{equation}$$

$$\begin{equation} \tag{A} \label{identidad} 6\end{equation}=\frac{29}{3}$$

Efectivamente $\eqref{identidad}$ NO es una identidad y da igual  el número que escoja, jamás será una identidad.
 

  1.  Vamos a ver los pasos que hemos dado hasta llegar a la solución (también conocido como algoritmo), así que en un papel describid las etapas realizadas. Es muy importante esto, porque tenéis que buscar una posible generalización en los pasos que habéis hecho, con ello conseguís modelizar el problema de encontrar soluciones para las ecuaciones de primer grado y con la modelización se puede hacer un programa en ordenador que os resuelva este tipo de ecuaciones. Yo también lo voy a hacer para que luego comparéis. 

Lectura facilitada

2. Con tu grupo describe en un papel las etapas para llegar a la solución del algoritmo. 

  • Busca con tu grupo un modelo de pasos 
    para resolver las ecuaciones de primer grado.
  • Con este modelo se puede hacer un programa en ordenador.
  • Comparad vuestros pasos con los siguientes. 

Descripción de los pasos

Paso 1

Si hay denominadores, hay que eliminarlos multiplicando cada teŕmino de ambos miembros, por el mínimo común múltiplo de todos. 

Paso 2

Si hay paréntesis, se eliminan aplicando una propiedad llamada distributiva, que lo que hace es multiplicar lo que hay fuera del paréntesis, por cada uno de los sumandos que hay dentro del paréntesis. 

Paso 3

Se llevan los términos que tienen variables a un lado de la ecuación (miembro) y en el otro las constantes o términos independientes y simplificamos ambos miembros. 

Paso 4

Despejamos la incógnita y obtenemos el número deseado, la SOLUCIÓN.

Paso 5

Comprobamos que la solución obtenida es correcta (si hemos obtenido alguna), sustituyendo el valor obtenido en la ecuación primera.

  1. Viendo los pasos que habéis dado, podéis generalizar a cualquier ecuación de primer grado. Podéis por tanto construir un diagrama de flujo para este proceso, generalizándolo. Así que teniendo en cuenta las formas comunes según la ISO, realizad un diagrama de flujo para este proceso de resolución de ecuaciones de primer grado. Cuando terminéis comparadlo con los compañeros y debatid qué puede estar bien o mal y corregid. Para hacer diagramas de flujo una opción es esta app. Tendrás que cambiar el código de la izquierda, prueba a poner esto. De esa manera podrás fijarte en cómo varía el diagrama de flujo, según cambies el código del programa y su estructura. Pulsa en HELP para ver más ayuda a la app.

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  1. Generaliza con tu grupo los pasos que habéis dado 
    para resolver cualquier ecuación de primer grado.
    • Construye con tu grupo un diagrama de flujo para este proceso.
    • Compara con los demás compañeros y compañeras.
    • Debatid qué puede estar bien o mal y corregid.
    • Observa esta app para hacer diagramas de flujo.
    • Tendrás que cambiar el código de la izquierda pon esto.
    • Pulsa en el botón de ayuda de la app.

Aquí tienes la app. Pulsa encima de mí

La imagen muestra las formas comunes diagramas de flujo

DF REA

Diagrama de flujo

Diagrama de flujo




  1. Por último y como actividad optativa, podéis ver que este diagrama de flujo se puede implementar fácilmente en un lenguaje muy parecido a los que se utilizan en programación, como C, Java, C++. Para que veáis un poco la sintaxis de este lenguaje podéis consultar la siguiente página. Así por ejemplo este diagrama de flujo podría ser una cosa así:

Lectura facilitada

4. Como actividad optativa puedes ver que este diagrama de flujo.

Se puede poner a funcionar como en C, Java, C++. 

Puedes consultar la siguiente página.

Código

La imagen muestra el código resolución de ecuaciones de grado 1

2. Grado 2, ya estamos aquí

Hasta ahora hemos hablado de las ecuaciones de primer grado, las soluciones de una ecuación de 2º grado "ordenada"; de la forma $ax²+bx+c=0$ donde $a, b\ y\ c$ son enteros ($\mathbb{Z}$) sería :

$$x_{(1,2)} = \frac{-b \pm \sqrt{b^2 - 4ac}}{2a}$$

Fórmula que tiene aproximadamente unos 4000 años; Kardia nos quiere decir algo al respecto:

Lectura facilitada

Hasta ahora hemos hablado de:

  • Las ecuaciones de primer grado.
  • Las soluciones de una ecuación de 2º grado ordenada de la forma $ax²+bx+c=0$ donde
    $a, b\ y\ c$ son números enteros ($\mathbb{Z}$) es :

$$x_{(1,2)} = \frac{-b \pm \sqrt{b^2 - 4ac}}{2a}$$

Esta fórmula tiene 4000 años. 

Kardia te va a hablar de esta fórmula. 

¡¡¡Avances en matemáticas y en las ecuaciones de 2º grado!!!

Pues sí, parece mentira verdad. Hace $4000$ años, los babilonios tenían un problema muy gordo, tenían que PAGAR IMPUESTOS. Todo el que trabajaba tenía que tributar. Particularmente los hortelanos se enfrentaban a un problema, dado los impuestos que tenían que pagar por los cultivos realizados, ¿cuánto debería de aumentar el tamaño de su campo para poder pagar esos impuestos?. Pues bien este problema se resolvía con una ecuación de 2º grado de la forma $ax²+bx+c=0$ ¡¡A que te suena!!. Pues como eran muy listos, encontraron que para resolver esa ecuación tenían que aplicar la fórmula:

$$x = \frac{-b \pm \sqrt{b^2 - 4ac}}{2a}$$

Pues $4000$ años después millones de personas de todo el mundo tienen grabada esta ecuación es su cabeza toda su vida. La solución más común se basa en un truco que se llama "completar el cuadrado" que no es muy intuitivo y no se ha encontrado otro método más intuitivo hasta hace muy poco, gracias a un matemático llamado Po-Shen Loh de la Universidad Carnegie Mellon en Pittsburgh (EE. UU.). Parece que ha encontrado otra forma más simple y que ha pasado desapercibida estos $4000$ años. Es un método general, lo que significa que no hay que aprenderse ninguna fórmula. Voy a exponértelo:

Llamamos R y S a las raíces de la ecuación de 2º grado $x²+Bx +C=0$ (si $a\neq1$ divido por a toda la ecuación), por lo que esta ecuación se puede factorizar:

\begin{equation} x²+Bx +C=(x-R)(x-S) \end{equation}

\begin{equation}x²+Bx +C=x²-(R+S)x+RS\end{equation}

Por lo que \[\begin{equation} \label{3} -B=(R+S)\ y\ C=RS\end{equation}\]

Ahora viene la parte "nueva", resulta que por ser R y S las raíces de la ecuación de 2º grado (imagínate una parábola que corta al eje de abscisas), el punto medio de R y S, sería $\frac{R+S}{2}$ o lo que es lo mismo $\frac{-B}{2}$ por $\eqref{3}$ por lo que $R=\frac{-B}{2}-z$ y $S=\frac{-B}{2}+z$ donde z sería la distancia desde el punto medio a una de las raíces.

Partiendo de $C=RS$ entonces:

\begin{equation}C=\left(\frac{-B}{2}-z\right)\left(\frac{-B}{2}+z\right)\end{equation}

\begin{equation}C=\left(\left(\frac{-B}{2}\right)^{2}-z^{2}\right)\end{equation}

con lo que $z=\pm \sqrt{\frac{B^{2}}{4}-C}$

Eso significa que la solución para la ecuación de 2º grado sería $\frac{-B}{2}\pm \sqrt{\frac{B^{2}}{4}-C}$ que es la fórmula cuadrática. ¡¡Yuju!!

Vamos a ver un ejemplo en concreto, voy a resolver la ecuación $2x²-16x+24=0$

Todo lo que te he contado lo puedes encontrar en este paper y aquí tienes el vídeo de Po-Shen Loh resolviendo la ecuación anterior.

ArXiv es un archivo en línea para las prepublicaciones de artículos científicos en el campo de las matemáticas, física, ciencias de la computación y biología, es muy recomendable. 

Primero dividimos por 2 (ya que a=2) con lo que quedaría: $x²-8x+12=0$

Como B=-8 y C=12 quedaría que $\frac{-B}{2}=4$

Así que $4²-z²=12$ despejando, $z=\pm \sqrt{4}=\pm 2$ 

Las raíces quedarían $4\pm2$

R=4-2=2 y S=4+2=6

La imagen muestra el mapa de Babilonia en tiempos de Hammurabi. Definición:

Personas que vivían en una ciudad muy antigua llamada Babilonia.

Ejemplo:

Los babilonios eran habitantes de Babilonia.

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Los babilonios tenían que pagar impuestos hace 4000 años. 

Todo el que trabajaba tenía que pagar impuestos. 

Los hortelanos tenían un problema. 

Los hortelanos tenían que pagar muchos impuestos por los cultivos. 

¿Qué solución tenían?

¿Cuánto debería de aumentar el tamaño de su campo 

para poder pagar esos impuestos?. 

Este problema se resolvía con una ecuación de 2º grado de la forma ax²+bx+c=0

Los hortelanos para resolver esa ecuación tenían que aplicar la siguiente fórmula.

$$x = \frac{-b \pm \sqrt{b^2 - 4ac}}{2a}$$

4000 años después millones de personas de todo el mundo utilizan esta ecuación. 

La solución más común se basa en un truco que se llama completar el cuadrado. 

Hace muy poco el matemático llamado Po-Shen Loh de la Universidad Carnegie Mellon en Pittsburgh (EE. UU.) ha encontrado otra forma más simple. 

Observa: 

  • Llamamos R y S a las raíces de la ecuación de 2º grado x²+Bx+C=0.
    Esta ecuación se puede factorizar:

\begin{equation} x²+Bx +C=(x-R)(x-S) \end{equation}

\begin{equation}x²+Bx +C=x²-(R+S)x+RS\end{equation}

Por lo que \( -B\ =\ (R+S)\)  y \( C\ =\ RS\)

  • R y S son las raíces de la ecuación de 2º grado. 
  • El punto medio de R y S es $\frac{R+S}{2}$ o lo que es lo mismo $\frac{-B}{2}$
  • $R=\frac{-B}{2}-z$ y $S=\frac{-B}{2}+z$ donde z sería la distancia desde el punto medio a una de las raíces.
  • Partiendo de $C=RS$ entonces:

\begin{equation}C=\left(\frac{-B}{2}-z\right)\left(\frac{-B}{2}+z\right)\end{equation}

\begin{equation}C=\left(\left(\frac{-B}{2}\right)^{2}-z^{2}\right)\end{equation}

con lo que $z=\pm \sqrt{\frac{B^{2}}{4}-C}$

La solución para la ecuación de 2º grado sería $\frac{-B}{2}\pm \sqrt{\frac{B^{2}}{4}-C}$ que es la fórmula cuadrática.

Observa este ejemplo de cómo resolver una ecuación con este método. 2x²−16x+24=0

Todo lo que te he contado lo puedes encontrar en este paper.

Aquí tienes el vídeo de Po-Shen Loh resolviendo la ecuación anterior.

Recomiendo ArXiv

que es un archivo en línea para las prepublicaciones de artículos científicos en el campo de: 

  • Las matemáticas.
  • La física. 
  • Las ciencias de la computación. 
  • La biología. 
La imagen muestra el mapa de Babilonia en tiempos de Hammurabi. Definición:

Personas que vivían en una ciudad muy antigua llamada Babilonia.

Ejemplo:

Los babilonios eran habitantes de Babilonia.

Cosas especiales que podemos decir de las ecuaciones de 2º grado:

  1. Las ecuaciones de 2º grado se pueden discutir sin resolverlas según el signo de su discriminante $\Delta=b²-4ac$ distinguiendose así los siguientes casos:
    • $\Delta<0$ no tiene solución.
    • $\Delta=0$ una solución.
    • $\Delta>0$ dos soluciones.

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Cosas especiales de las ecuaciones de 2º grado:

  • Observa el signo discriminante de las ecuaciones de 2º grado Δ=b²−4ac
  • Distingue los siguientes casos.
  • El discriminante es un símbolo que nos sirve para discriminar las posibles soluciones de una ecuación. 
    • Δ<0  no tiene solución.
    • La ecuación no tiene solución si el discriminante es menor que cero.
    • Δ=0 una solución.
    • La ecuación tiene una única solución si el discriminante es igual a cero.
    • Δ>0 dos soluciones.
    • La ecuación tiene dos soluciones si el discriminante es mayor que cero .
  1. Existen un tipo especial de ecuaciones, que se llaman ecuaciones BICUADRADAS que se resuelven casi igual que las de 2º grado. Las ecuaciones bicuadradas son ecuaciones del tipo $ax^{2n}+bx^{n}+c=0$ con $n\in\mathbb N$ y se resuelven con la fórmula:
    $$x^{n} = \frac{-b \pm \sqrt{b^2 - 4ac}}{2a}$$
    Aparentemente parece igual que las de 2º grado verdad ¿cuál es la diferencia? Fíjate que no dice "$x=$" sino "$x^{n}=$" luego cuando se termine de realizar la fórmula de resolución de ecuaciones de 2º grado, habrá que despejar la x. Puedes encontrar ejercicios de este tipo de ecuaciones aquí.

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Las ecuaciones bicuadradas son un caso especial y 

se resuelven casi igual que las ecuaciones de 2º grado. 

Las ecuaciones bicuadradas son ecuaciones del tipo $ax^{2n}+bx^{n}+c=0$ con $n\in\mathbb N$

y se resuelven con la fórmula:

$$x^{n} = \frac{-b \pm \sqrt{b^2 - 4ac}}{2a}$$

Fíjate que no dice "$x=$" sino "$x^{n}=$"

Cuando

termines de realizar la fórmula de resolución de ecuaciones de 2º grado 

tienes que despejar la x. 

Puedes encontrar ejercicios de este tipo de ecuaciones aquí.

3. Tercer grado y más allá...

Pierre dice...

Vamos a ver un método para resolver las ecuaciones de grado 3 y superior, Megan. Se llama el "método de Ruffini", solo tienes que darle a "Pista" e irá saliendo los pasos que tienes que dar. Este método también te va a servir para resolver las ecuaciones de grado superior a 3.

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Vas a ver un método para resolver las ecuaciones de grado 3 y superior.

Se llama el método de Ruffini. 

Pulsa el botón Pista. 

Saldrán los pasos que tienes que seguir. 

Una de las cuestiones interesantes de las ecuaciones polinómicas es su FACTORIZACIÓN que consiste en ponerlas como producto de factores e igualada a cero. Una vez que se encuentran las raíces, estos números son los que hacen 0 el polinomio si lo sustituimos, entonces por eso los voy a poner de la forma $(x-raíz)$, así se hará cero cuando lo sustituya. De esta manera una ecuación $ax^{n}+bx^{n-1}+...+z=0$ con $a, b,..., z \in \mathbb Z$ se expresaría de la forma:

$$a·(x-x_{1})·(x-x_{2})·....·(x-x_{n})=0$$

Donde a sería el coeficiente del término de mayor grado y $x_{1}, x_{2},...,x_{n}$ serían las raíces del polinomio en cuestión.

Lectura facilitada

La factorización consiste en poner las ecuaciones 

como producto de factores e igualar a cero. 

Estos números son los que hacen 0 el polinomio si lo sustituyes. 

Pon (x−raíz) así se hará cero cuando lo sustituyas. 

Una ecuación $ax^{n}+bx^{n-1}+...+z=0$ con $a, b,..., z \in \mathbb Z$ se expresa de la forma:

$$a·(x-x_{1})·(x-x_{2})·....·(x-x_{n})=0$$

  • a es el coeficiente del término de mayor grado.
  • $x_{1}, x_{2},...,x_{n}$ son las raíces del polinomio.

4. Piensa en lo que has aprendido

Pierre dice...

Hemos visto cosas nuevas de las ecuaciones polinómicas de primer, segundo grado y solucionar ecuaciones de grado superior, vamos a comprobar todo lo que hemos aprendido.

Opción A: ¿Te atreves?

Selecciona verdadero o falso según corresponda.

Pregunta 1

  • Todas las ecuaciones de grado 1 tienen una solución.

Pregunta 2

  • El método de Ruffini sirve para resolver ecuaciones de grado 2. 

Pregunta 3

  • Podemos saber si una ecuación de segundo grado tiene o no tiene solución sin resolverla. 

Opción B: Algoritmo de ecuaciones de 2º grado

Encuentra el algoritmo de las ecuaciones de 2º grado, es decir: 

  1. Inventa una ecuación de segundo grado, por ejemplo, $2x²-x=2+x²$ y resuelvela.

  2. Comprueba que las soluciones encontradas son correctas.

  3. Describe los pasos seguidos.

  4. Realiza un diagrama de flujo (opcional).

  5. Realiza el código de ese diagrama de flujo (opcional).

Ejemplo:

\begin{equation} \label{ecuacion}
x^2 - 5 x + 6 = 0
\end{equation}

\begin{equation} \label{sol1}
x_1 = \frac{5 + \sqrt{25 - 4 \cdot 6}}{2} = 3
\end{equation}

\begin{equation} \label{sol2}
x_2 = \frac{5 - \sqrt{25 - 4 \cdot 6}}{2} = 2
\end{equation}

En \eqref{sol1} y \eqref{sol2} hemos resuelto la ecuación \eqref{ecuacion}

Una ver realizado el algoritmo, evalúa con un compañero de clase que cumple los requisitos necesarios, con esta Diana de Evaluación.

La imagen muestra el documento de diana de evaluación

Opción C: Ruffini

Practica el método de Ruffini, ya que este método lo vamos a utilizar muchas veces. Coge lápiz y papel y vamos a ello.

Opción D: ¿Algoritmo del método de Ruffini?

En tu cuaderno, realiza el algoritmo del método de Ruffini, cuando termines hazlo en la app que te incorporamos a continuación.

Opción E: Casos especiales

Algunos casos especiales de las ecuaciones de 2º grado:

  • Introduce las soluciones en las casillas.

  • Si crees que no hay solución real, marca la casilla correspondiente.

  • Puede que alguna de las ecuaciones tenga solución fraccionaria o irracional (aparece una raíz cuadrada).

  • Se admiten soluciones decimales redondeadas.

  • Cuando una solución sea doble, introdúcela en las dos casillas.

  • Puedes hacer tantas fichas como desees. Se conservará la puntuación más alta.

Motus dice... ¿Has sabido hacer las actividades propuestas?

¿Te han resultado difíciles las tareas?

Relájate cuando sientas nervios y confía en tus posibilidades.

¡Eres capaz de hacer todo lo que te propongas!