Breviar teoretic și formule fundamentale
Raționalizarea numitorului unei fracții reprezintă procedeul algebric prin care se elimină radicalii de la numitor, obținând o fracție echivalentă al cărei numitor este un număr rațional.
Modulul I: Radicali de ordinul $n$ la numitor
Model 1.1 – Radical pătratic simplu la numitor
Cerință: Să se raționalizeze numitorul fracției: $\dfrac{5}{\sqrt{10}}$.
Explicație pas cu pas:
- Identificarea factorului de amplificare: Numitorul conține $\sqrt{10}$ (ordinul 2). Factorul de amplificare este $\sqrt{10}$.
- Amplificarea fracției:
$$\frac{5}{\sqrt{10}} = \frac{5 \cdot \sqrt{10}}{\sqrt{10} \cdot \sqrt{10}} = \frac{5\sqrt{10}}{10}.$$
- Simplificarea rezultatului: Simplificăm 5 și 10 prin 5:
$$\frac{5\sqrt{10}}{10} = \frac{\sqrt{10}}{2}.$$
Model 1.2 – Radical cubic dintr-o putere
Cerință: Să se raționalizeze numitorul fracției: $\dfrac{3}{\sqrt[3]{9}}$.
Explicație pas cu pas:
- Scrierea ca putere: Observăm că $9 = 3^2$, deci numitorul este $\sqrt[3]{3^2}$.
- Calculul exponentului complementar: Ordinul este $n = 3$, exponentul curent este $k = 2$. Efectuăm amplificarea cu $\sqrt[3]{3^{3-2}} = \sqrt[3]{3^1} = \sqrt[3]{3}$.
- Amplificarea și simplificarea:
$$\frac{3}{\sqrt[3]{3^2}} = \frac{3 \cdot \sqrt[3]{3}}{\sqrt[3]{3^2} \cdot \sqrt[3]{3}} = \frac{3\sqrt[3]{3}}{\sqrt[3]{3^3}} = \frac{3\sqrt[3]{3}}{3} = \sqrt[3]{3}.$$
Model 1.3 – Radical de ordin impar dintr-un număr negativ
Cerință: Să se raționalizeze numitorul fracției: $\dfrac{21}{\sqrt[5]{-128}}$.
Explicație pas cu pas:
- Scoaterea minusului și descompunerea: Deoarece ordinul 5 este impar, $\sqrt[5]{-128} = -\sqrt[5]{128}$. Descompunem $128 = 2^7 = 2^5 \cdot 2^2$.
- Scoaterea factorilor de sub radical: $\sqrt[5]{2^7} = 2\sqrt[5]{2^2} = 2\sqrt[5]{4}$. Fracția devine $-\dfrac{21}{2\sqrt[5]{4}}$.
- Amplificarea: Pentru $\sqrt[5]{2^2}$, mai avem nevoie de $2^{5-2} = 2^3 = 8$. Amplificăm cu $\sqrt[5]{8}$:
$$-\frac{21 \cdot \sqrt[5]{8}}{2\sqrt[5]{2^2} \cdot \sqrt[5]{2^3}} = -\frac{21\sqrt[5]{8}}{2 \cdot 2} = -\frac{21\sqrt[5]{8}}{4}.$$
Model 1.4 – Radical de ordinul 4 și scoaterea factorilor
Cerință: Să se raționalizeze numitorul fracției: $\dfrac{36}{\sqrt[4]{48}}$.
Explicație pas cu pas:
- Descompunerea și simplificarea radicalului: $48 = 2^4 \cdot 3 \implies \sqrt[4]{48} = 2\sqrt[4]{3}$.
- Fracția intermediară: $\dfrac{36}{2\sqrt[4]{3}} = \dfrac{18}{\sqrt[4]{3}}$.
- Amplificarea: Pentru $\sqrt[4]{3^1}$, factorul necesar este $\sqrt[4]{3^{4-1}} = \sqrt[4]{3^3} = \sqrt[4]{27}$.
- Calculul final:
$$\frac{18 \cdot \sqrt[4]{27}}{\sqrt[4]{3} \cdot \sqrt[4]{27}} = \frac{18\sqrt[4]{27}}{3} = 6\sqrt[4]{27}.$$
Model 1.5 – Reducerea ordinului radicalului
Cerință: Să se raționalizeze numitorul fracției: $\dfrac{6}{\sqrt[9]{8}}$.
Explicație pas cu pas:
- Simplificarea exponentului cu ordinul: $8 = 2^3 \implies \sqrt[9]{8} = \sqrt[9]{2^3} = 2^{3/9} = 2^{1/3} = \sqrt[3]{2}$.
- Amplificarea cu radicalul cubic complementar: Pentru $\sqrt[3]{2^1}$, amplificăm cu $\sqrt[3]{2^2} = \sqrt[3]{4}$.
- Rezultat:
$$\frac{6}{\sqrt[3]{2}} = \frac{6\sqrt[3]{4}}{\sqrt[3]{2} \cdot \sqrt[3]{4}} = \frac{6\sqrt[3]{4}}{2} = 3\sqrt[3]{4}.$$
Modulul II: Conjugatul de ordinul 2
Model 2.1 – Conjugatul de forma $a + \sqrt{b}$
Cerință: Să se raționalizeze numitorul fracției: $\dfrac{1}{3 + \sqrt{5}}$.
Explicație pas cu pas:
- Identificarea conjugatului: Conjugatul expresiei $3 + \sqrt{5}$ este $3 - \sqrt{5}$.
- Amplificarea fracției:
$$\frac{1}{3 + \sqrt{5}} = \frac{1 \cdot (3 - \sqrt{5})}{(3 + \sqrt{5})(3 - \sqrt{5})}.$$
- Aplicarea formulei $(A + B)(A - B) = A^2 - B^2$:
$$\text{Numitor} = 3^2 - (\sqrt{5})^2 = 9 - 5 = 4.$$
- Rezultat final: $\dfrac{3 - \sqrt{5}}{4}$.
Model 2.2 – Conjugatul cu coeficient în fața radicalului
Cerință: Să se raționalizeze numitorul fracției: $\dfrac{1}{4 + 3\sqrt{2}}$.
Explicație pas cu pas:
- Conjugatul: Amplificăm cu $4 - 3\sqrt{2}$.
- Calculul numitorului: $(4 + 3\sqrt{2})(4 - 3\sqrt{2}) = 4^2 - (3\sqrt{2})^2 = 16 - (9 \cdot 2) = 16 - 18 = -2$.
- Așezarea minusului la numărător:
$$\frac{4 - 3\sqrt{2}}{-2} = \frac{-(4 - 3\sqrt{2})}{2} = \frac{3\sqrt{2} - 4}{2}.$$
Model 2.3 – Diferență de doi radicali pătratici
Cerință: Să se raționalizeze numitorul fracției: $\dfrac{6}{\sqrt{7} - \sqrt{3}}$.
Explicație pas cu pas:
- Conjugatul: Amplificăm cu $\sqrt{7} + \sqrt{3}$.
- Calculul numitorului: $(\sqrt{7} - \sqrt{3})(\sqrt{7} + \sqrt{3}) = (\sqrt{7})^2 - (\sqrt{3})^2 = 7 - 3 = 4$.
- Simplificarea fracției:
$$\frac{6(\sqrt{7} + \sqrt{3})}{4} = \frac{3(\sqrt{7} + \sqrt{3})}{2}.$$
Model 2.4 – Combinat: coeficient și doi radicali
Cerință: Să se raționalizeze numitorul fracției: $\dfrac{5}{3\sqrt{2} - \sqrt{13}}$.
Explicație pas cu pas:
- Conjugatul: Amplificăm cu $3\sqrt{2} + \sqrt{13}$.
- Calculul numitorului: $(3\sqrt{2})^2 - (\sqrt{13})^2 = (9 \cdot 2) - 13 = 18 - 13 = 5$.
- Simplificarea numărătorului cu numitorul:
$$\frac{5(3\sqrt{2} + \sqrt{13})}{5} = 3\sqrt{2} + \sqrt{13}.$$
Modulul III: Radicali cubici și expresii algebrice
Model 3.1 – Numitor de forma $\sqrt[3]{a} - b$
Cerință: Să se raționalizeze numitorul fracției: $\dfrac{1}{\sqrt[3]{3} - 1}$.
Explicație pas cu pas:
- Identitatea utilizată: $(A - B)(A^2 + AB + B^2) = A^3 - B^3$.
- Alegerea termenilor: Fie $A = \sqrt[3]{3}$ și $B = 1$.
- Factorul de amplificare: $A^2 + AB + B^2 = (\sqrt[3]{3})^2 + \sqrt[3]{3} \cdot 1 + 1^2 = \sqrt[3]{9} + \sqrt[3]{3} + 1$.
- Calculul numitorului:
$$(\sqrt[3]{3} - 1)(\sqrt[3]{9} + \sqrt[3]{3} + 1) = (\sqrt[3]{3})^3 - 1^3 = 3 - 1 = 2.$$
- Rezultat final: $\dfrac{\sqrt[3]{9} + \sqrt[3]{3} + 1}{2}$.
Model 3.2 – Numitor de forma $\sqrt[3]{a} + b$
Cerință: Să se raționalizeze numitorul fracției: $\dfrac{6}{\sqrt[3]{7} + 1}$.
Explicație pas cu pas:
- Identitatea utilizată: $(A + B)(A^2 - AB + B^2) = A^3 + B^3$.
- Factorul de amplificare: Pentru $A = \sqrt[3]{7}$ și $B = 1$, amplificăm cu $A^2 - AB + B^2 = \sqrt[3]{49} - \sqrt[3]{7} + 1$.
- Calculul numitorului: $(\sqrt[3]{7} + 1)(\sqrt[3]{49} - \sqrt[3]{7} + 1) = (\sqrt[3]{7})^3 + 1^3 = 7 + 1 = 8$.
- Simplificarea:
$$\frac{6(\sqrt[3]{49} - \sqrt[3]{7} + 1)}{8} = \frac{3(\sqrt[3]{49} - \sqrt[3]{7} + 1)}{4}.$$
Model 3.3 – Factor comun sub radicalii cubici
Cerință: Să se raționalizeze numitorul fracției: $\dfrac{1}{\sqrt[3]{40} - \sqrt[3]{15}}$.
Explicație pas cu pas:
- Factorizarea numitorului: $\sqrt[3]{40} = \sqrt[3]{5 \cdot 8} = 2\sqrt[3]{5}$, iar $\sqrt[3]{15} = \sqrt[3]{5 \cdot 3} = \sqrt[3]{5} \cdot \sqrt[3]{3}$.
- Scoaterea factorului comun: Numitorul devine $\sqrt[3]{5}\,(2 - \sqrt[3]{3})$.
- Raționalizarea în două etape:
- Amplificăm mai întâi cu $\sqrt[3]{5^2} = \sqrt[3]{25}$, pentru a elimina $\sqrt[3]{5}$: obținem $\dfrac{\sqrt[3]{25}}{5(2 - \sqrt[3]{3})}$.
- Amplificăm apoi cu $2^2 + 2\sqrt[3]{3} + (\sqrt[3]{3})^2 = 4 + 2\sqrt[3]{3} + \sqrt[3]{9}$:
$$(2 - \sqrt[3]{3})(4 + 2\sqrt[3]{3} + \sqrt[3]{9}) = 2^3 - (\sqrt[3]{3})^3 = 8 - 3 = 5.$$
- Rezultat final:
$$\frac{\sqrt[3]{25}\,(4 + 2\sqrt[3]{3} + \sqrt[3]{9})}{5 \cdot 5} = \frac{\sqrt[3]{25}\,(4 + 2\sqrt[3]{3} + \sqrt[3]{9})}{25}.$$
Model 3.4 – Expresie algebrică cu parametru sub radical
Cerință: Să se aducă la o formă raționalizată expresia:
$\sqrt{\dfrac{\sqrt{a} - \sqrt{b}}{\sqrt{a} + \sqrt{b}}} \cdot \dfrac{1}{\sqrt{a - b}}$, unde $a > b > 0$.
Explicație pas cu pas:
- Raționalizarea sub radicalul mare: Amplificăm fracția de sub radical cu $(\sqrt{a} - \sqrt{b})$:
$$\frac{\sqrt{a} - \sqrt{b}}{\sqrt{a} + \sqrt{b}} = \frac{(\sqrt{a} - \sqrt{b})^2}{a - b}.$$
- Extragerea de sub radical:
$$\sqrt{\frac{(\sqrt{a} - \sqrt{b})^2}{a - b}} = \frac{|\sqrt{a} - \sqrt{b}|}{\sqrt{a - b}} = \frac{\sqrt{a} - \sqrt{b}}{\sqrt{a - b}} \quad (\text{deoarece } a > b \implies \sqrt{a} > \sqrt{b}).$$
- Înmulțirea cu al doilea termen:
$$\frac{\sqrt{a} - \sqrt{b}}{\sqrt{a - b}} \cdot \frac{1}{\sqrt{a - b}} = \frac{\sqrt{a} - \sqrt{b}}{a - b}.$$
Modulul IV: Tehnici avansate și numitori complecși
Model 4.1 – Numitor cu 3 termeni
Cerință: Să se raționalizeze numitorul fracției: $\dfrac{4}{\sqrt{3} - \sqrt{2} - 1}$.
Explicație pas cu pas:
- Gruparea termenilor: Privim numitorul ca $[(\sqrt{3} - \sqrt{2}) - 1]$.
- Prima amplificare, cu conjugatul $[(\sqrt{3} - \sqrt{2}) + 1]$:
$$\text{Numitor}_1 = [(\sqrt{3} - \sqrt{2}) - 1][(\sqrt{3} - \sqrt{2}) + 1] = (\sqrt{3} - \sqrt{2})^2 - 1^2.$$
$$(\sqrt{3} - \sqrt{2})^2 - 1 = (3 - 2\sqrt{6} + 2) - 1 = 5 - 1 - 2\sqrt{6} = 4 - 2\sqrt{6} = 2(2 - \sqrt{6}).$$
- A doua amplificare, cu conjugatul $2 + \sqrt{6}$:
$$\text{Numitor}_2 = 2(2 - \sqrt{6})(2 + \sqrt{6}) = 2(4 - 6) = 2(-2) = -4.$$
- Finalizarea calculului numărătorului și simplificarea cu $-4$.
Model 4.2 – Numitor cu 4 termeni și factorizare
Cerință: Să se raționalizeze numitorul fracției: $\dfrac{1}{\sqrt{5} - \sqrt{10} - \sqrt{3} + \sqrt{6}}$.
Explicație pas cu pas:
- Descompunerea în factori prin grupare:
$$(\sqrt{5} - \sqrt{10}) - (\sqrt{3} - \sqrt{6}) = \sqrt{5}(1 - \sqrt{2}) - \sqrt{3}(1 - \sqrt{2}) = (\sqrt{5} - \sqrt{3})(1 - \sqrt{2}).$$
- Raționalizarea independentă a celor doi factori: Amplificăm cu $(\sqrt{5} + \sqrt{3})(1 + \sqrt{2})$.
- Calculul numitorului:
$$[(\sqrt{5} - \sqrt{3})(\sqrt{5} + \sqrt{3})] \cdot [(1 - \sqrt{2})(1 + \sqrt{2})] = (5 - 3)(1 - 2) = 2 \cdot (-1) = -2.$$
- Rezultat final: $-\dfrac{(\sqrt{5} + \sqrt{3})(1 + \sqrt{2})}{2}$.
Model 4.3 – Recunoașterea formei $A^2 - AB + B^2$
Cerință: Să se raționalizeze numitorul fracției: $\dfrac{\sqrt[3]{9} - 1}{\sqrt[3]{81} - \sqrt[3]{9} + 1}$.
Explicație pas cu pas:
- Identificarea structurii: Notăm $A = \sqrt[3]{9}$ și $B = 1$. Observăm că $A^2 = (\sqrt[3]{9})^2 = \sqrt[3]{81}$.
- Recunoașterea factorului dintr-o sumă de cuburi: Numitorul este $A^2 - AB + B^2$.
- Amplificarea cu $A + B = \sqrt[3]{9} + 1$:
$$\text{Numitor} = (A + B)(A^2 - AB + B^2) = A^3 + B^3 = (\sqrt[3]{9})^3 + 1^3 = 9 + 1 = 10.$$
- Calculul numărătorului: $(\sqrt[3]{9} - 1)(\sqrt[3]{9} + 1) = (\sqrt[3]{9})^2 - 1^2 = \sqrt[3]{81} - 1$.
- Rezultat final: $\dfrac{\sqrt[3]{81} - 1}{10}$.
Model 4.4 – Radicali de ordine diferite la numitor
Cerință: Să se raționalizeze numitorul fracției: $\dfrac{6}{\sqrt{3} - \sqrt[3]{3}}$.
Explicație pas cu pas:
- Aducerea la același ordin (ordinul 6): $\sqrt{3} = \sqrt[6]{3^3} = \sqrt[6]{27}$, iar $\sqrt[3]{3} = \sqrt[6]{3^2} = \sqrt[6]{9}$.
- Substituția algebrică: Fie $x = \sqrt[6]{3} \implies \sqrt{3} = x^3$ și $\sqrt[3]{3} = x^2$.
- Factorizarea numitorului: $x^3 - x^2 = x^2(x - 1) = \sqrt[3]{3}\,(\sqrt[6]{3} - 1)$.
- Amplificarea succesivă:
- Amplificăm cu $\sqrt[3]{9}$, pentru a elimina $\sqrt[3]{3}$ din factor.
- Amplificăm cu $(\sqrt[6]{3^5} + \sqrt[6]{3^4} + \cdots + 1)$ pentru factorul $(\sqrt[6]{3} - 1)$, obținând la numitor $(\sqrt[6]{3})^6 - 1^6 = 3 - 1 = 2$.
Model 4.5 – Identități de ordinul 5
Cerință: Să se raționalizeze numitorul fracției: $\dfrac{1}{\sqrt[5]{3} - 1}$.
Explicație pas cu pas:
- Identitatea utilizată: $(x - 1)(x^4 + x^3 + x^2 + x + 1) = x^5 - 1$.
- Alegerea factorului de amplificare: Pentru $x = \sqrt[5]{3}$, amplificăm cu:
$$(\sqrt[5]{3})^4 + (\sqrt[5]{3})^3 + (\sqrt[5]{3})^2 + \sqrt[5]{3} + 1 = \sqrt[5]{81} + \sqrt[5]{27} + \sqrt[5]{9} + \sqrt[5]{3} + 1.$$
- Calculul numitorului: $(\sqrt[5]{3} - 1)(\ldots) = (\sqrt[5]{3})^5 - 1^5 = 3 - 1 = 2$.
- Rezultat final: $\dfrac{\sqrt[5]{81} + \sqrt[5]{27} + \sqrt[5]{9} + \sqrt[5]{3} + 1}{2}$.
Ghid de recomandări metodice pentru elevi
Recomandare metodică
Pentru a aborda cu succes exercițiile de raționalizare, urmăriți acești 4 pași fundamentali:
- Simplificați radicalii înainte de amplificare: Scoateți factorii de sub radical și simplificați fracția dacă este posibil. Acest lucru previne lucrul cu numere inutil de mari.
- Păstrați numărătorul sub formă factorizată: Nu desfaceți parantezele la numărător imediat după amplificare, deoarece de cele mai multe ori numitorul simplifică direct factorul din față.
- Atenție la semnul minus: Atunci când numitorul devine negativ (de exemplu $16 - 18 = -2$), treceți minusul la numărător, schimbând toate semnele din paranteză.
- Grupați convenabil la numitori complecși: Dacă numitorul are 3 sau 4 termeni, căutați mai întâi o factorizare prin grupare. Dacă nu este posibil, grupați doi termeni ca o singură entitate.