Определение и примеры рациональных дробей
Рациональные дроби изучаются на уроках алгебры в 8 классе. Мы будем использовать определение рациональной дроби, которое дается в учебнике алгебры для 8 классов Ю. Н. Макарычева и др.
Определение.
Рациональной дробью
называют дробь, числитель и знаменатель которой есть многочлены с натуральными, целыми или рациональными коэффициентами.
В данном определении не уточняется, должны ли многочлены в числителе и знаменателе рациональной дроби быть многочленами стандартного вида или нет. Поэтому, будем считать, что в записях рациональных дробей могут содержаться как многочлены стандартного вида, так и не стандартного.
Приведем несколько примеров рациональных дробей
. Так , x/8 и — рациональные дроби. А дроби и не подходят под озвученное определение рациональной дроби, так как в первой из них в числителе стоит не многочлен, а во второй и в числителе и в знаменателе находятся выражения, не являющиеся многочленами.
К началу страницы
Сокращение рациональных выражений
Узнав, какие выражения являются рациональными, мы приступим к изучению их преобразований. Напомним главное свойство дроби:
Оно означает, что числитель и знаменатель можно умножить на произвольное число (кроме нуля), то значение дроби останется прежним:
Это правило остается верным и в том случае, когда вместо чисел используются переменные величины.
Например, возможны такие преобразования рациональных выражений:
Например, пусть надо привести дробь
к знаменателю 6а2b2.
На что именно надо умножитель знаменатель, что получился одночлен 6а2b2? Очевидно, что
6а2b2 = 2а2b•3b
Поэтому выражения над и под дробной чертой надо умножить на 3b:
Использованный нами множитель 3b называют дополнительным множителем.
Обратная операция, при которой из знаменателя и числителя убирают совпадающие множители, называется сокращением дроби:
Это тождество означает, что дроби можно сокращать, убирая общий множитель, например:
Аналогичные действия можно совершать не только с числовыми дробями, но и с дробными выражениями:
В последнем примере мы вынесли общие множители за скобки (2х и 7у), чтобы над и под чертой появилась одинаковая сумма х + 3у, которую можно сократить.
Однако при сокращении дробей важно учитывать область ее допустимых значений, ведь из-за изменения знаменателя она может измениться. Например, пусть требуется построить график функции
В числителе стоит разность квадратов, которую можно разложить на множители:
Казалось бы, мы получили линейную функцию
y = x + 2
чей график нам известен – это прямая. Но она определена при всех возможных х, в то время как исходная дробь бессмысленна при х = 2, ведь тогда знаменатель становится равен нулю. Поэтому график функции будет выглядеть как прямая, однако одна из ее точек, с координатами (2; 4), будет «выколотой» точкой, и исключенной:
Данный рисунок означает, что графиком функции – прямая линия, кроме точки (2; 4)
Выколотая точка на графике изображается маленьким незакрашенным кружочком.
Следующее важное свойство дроби связано со знаком минус. Знак, стоящий перед дробью, можно перенести либо в знаменатель, либо в числитель:
Также напомним, что можно поменять местами уменьшаемое и вычитаемое в скобках, если изменить перед ней знак:
(а – b) = – (b– а)
Применение этих правил позволяет упрощать некоторые дроби, например:
Более сложный пример:
Рассмотрим такое понятие, как однородный многочлен. Так называют тот полином, у которого все одночлены имеют одинаковую степень.
Подробнее о степени одночлена можно узнать в . Если коротко, то степень одночлена – эта сумма степеней у всех переменных, входящих в его буквенную часть. Например, у следующих мономов степень равна 4:
- 3х4 (у единственной переменной степень равна 4);
- 8х3у (степень у х равна 3, а степень у равна 1, 3 + 1 = 4);
- 5х2у2 (степени у обеих переменных равны 2, 2 + 2 = 4);
- 10у4 (в буквенной части только переменная у, чья степень равна 4).
Соответственно, многочлен 3х4 + 8х3у + 5х2у2 + 10у4, составленный из всех этих мономов, будет однородным. Примерами однородных полиномов также являются:
- z6 + v6 – 2z2v4 (здесь степени мономов равны 6);
- a2 – ab (степень одночленов равна 2).
В отношении однородных полиномов, состоящих из двух переменных, можно применять особый прием. Достаточно поделить его на одну из переменных в степени полинома, и получится выражение, зависящее только от одной дроби. Поясним это на примере. Пусть надо вычислить значение отношения
если известно другое отношение:
В исходной дроби представляет собой отношение двух однородных полиномов третьей степени. Поэтому поделим их на y3 (можно было делить и на х3). При этом значение дроби не изменится, ведь мы делим числитель и знаменатель на одинаковый моном:
Получили выражение, которое зависит только от отношения
Попытаемся найти эту величину из условия
Отсюда следует, что
Теперь подставим найденное отношение в формулу(1):
До этого мы рассматривали примеры дробных выражений, состоящие из полиномов с целыми коэффициентами. Если же используются дробные числа, то от них всегда можно избавиться, домножив дробь на какое-нибудь число.
Например, дана дробь
Коэффициенты при у и у2 дробные. Избавимся от них. Для этого используем дополнительный множитель 12:
Далее рассмотрим сложение и вычитание дробных выражений. Проще всего эту операцию проводить в том случае, когда у дробей совпадают знаменатели. В такой ситуации используются уже нам известные правила:
Сложим две величины:
В их знаменателе стоит одинаковый полином, а потому операция будет выглядеть так:
Здесь мы в числителе использовали формулу квадрата разности.
Теперь вычтем из выражения
дробь
У них совпадают знаменатели, поэтому проблем с вычитанием не возникает:
Заметим, что обычно у дробных выражения стараются сокращать до тех пор, пока не получится несократимая дробь.
Если у дробей различные знаменатели, то приводят к общему знаменателю, домножая их на какой-нибудь дополнительный множитель. Рассмотрим следующий пример:
Знаменатели дробей разные, однако, обе дроби можно привести к знаменателю 24х2у3. Почему именно к нему? Дело в том, у коэффициентов мономов 6х2у и 8ху3 наименьшим общим кратным (НОК) является число 24 (о НОК можно узнать из ). Добавим к этому коэффициенту переменные из одночленов с наибольшими показателями (х2 и у3) и получим моном 24х2у3. Итак,домножим первую дробь на 4у2, а вторую – на 3х:
Есть и более простой способ найти общий знаменатель, для этого достаточно просто перемножить знаменатели дробей-слагаемых. Однако дальнейшие преобразования будут более долгими. Решим таким путем тот же пример:
В числителе возможно вынесение общего множителя 2ху за скобки:
Видно, что конечный результат операции не изменился.
Если в знаменателях складываемых дробей стоят многочлены, то стоит попробовать разложить их на множители. За счет этого порою удается найти более простой общий знаменатель.
Пусть надо сложить выражения
Вынесем в знаменателях за скобки множители х и у:
В знаменателях есть похожие множители, (3х – у) и (у – 3х). Чтобы они оказались одинаковыми, надо поменять местами вычитаемое и уменьшаемое в одних скобках. Для этого перед ними надо добавить знак «минус»:
Общим множителем этих дробей является произведение ху(3х – у):
Осталось разложить числитель, где стоит разность квадратов:
Следующий важный навык, который может потребоваться при работе с рациональными выражениями – это выделение целой части из дроби.
Продемонстрируем эту операцию на примере
Перепишем дробь, поменяв порядок слагаемых в числителе:
И в знаменателе, и в числителе есть сумма х2 + 1. Теперь можно произвести выделение целой части:
В справедливости данного преобразования можно убедиться, выполнив его «в обратную сторону»:
Любой многочлен можно сделать дробью, если приписать ему числитель, равный 1. Пусть надо упростить формулу
Заменим 2х – 1 на дробь и произведем вычитание:
Упростить далее эту дробь довольно сложно, но всё же возможно. Для этого надо заменить одночлен (– 3х2) на разность (– х2 – 2х2), а 14х на сумму (6х+8х). Посмотрим, что получится в результате:
Складывать можно и более двух дробей. Пусть надо упростить сумму
Будем складывать слагаемые последовательно, то есть сначала сложим два первых слагаемых, потом к результату добавим третье, а далее и 4-ое слагаемое:
