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As soluções de uma equação quadrática correspondem às intersecções com o eixo x, das abcissas (raízes) de uma função polinomial do segundo grau. No caso da figura, as raízes da função são e

Em matemática, uma equação quadrática ou equação do segundo grau é uma equação polinomial de grau dois.[1][2][3] A forma geral deste tipo de equação é:[1][2][3]

em que x é uma variável, sendo a, b e c constantes, com a ≠ 0 (caso contrário, a equação torna-se linear). As constantes a, b e c, são chamadas respectivamente de coeficiente quadrático, coeficiente linear e coeficiente constante ou termo livre. A variável x representa um valor a ser determinado, e também é chamada de incógnita. O termo "quadrático" vem de quadratus, que em latim significa quadrado. Equações quadráticas podem ser resolvidas por meio da fatoração, do completamento de quadrados, do uso de gráficos, da aplicação do método de Newton ou do uso de uma fórmula. Um uso frequente das equações do segundo grau é em modelos simples de cálculo das trajetórias de projéteis em movimento.

Índice

ResoluçãoEditar

Fórmula geralEditar

Uma equação do segundo grau da forma   cujos coeficientes são números reais ou complexos, pode possuir até duas soluções, chamadas de raízes ou zeros da equação. São elas:

  e  .

Resumidamente, pode-se enunciar a fórmula geral também como:

 

em que o símbolo ± indica que uma das soluções é obtida através da soma e a outra por meio da diferença. Em Portugal é conhecida por fórmula resolvente e no Brasil, essa fórmula é conhecida erroneamente como Fórmula de Bhaskara, mas em outros países é conhecida simplesmente como a fórmula geral para resolução da equação polinomial do segundo grau[4].

Por inspeçãoEditar

 Ver artigo principal: Fórmulas de Viète

Casos particularesEditar

b = 0Editar

É uma equação no formato   que pode ser resolvida levando-se em conta que:

 
para   a equação terá duas raízes reais simétricas. No caso   as raízes serão complexas com   e complexamente simétricas, ou seja:  

c = 0Editar

É uma equação no formato   cuja solução pode ser obtida considerando-se que:

 
De fato, neste caso tem-se necessariamente que   ou   sendo esta última alternativa equivalente a   Se os coeficientes forem reais, as raízes também serão.

b = 0 e c = 0Editar

Neste caso particular, temos simplesmente:   cuja raiz dupla é 0.

Demonstrações da fórmula quadráticaEditar

A solução da equação do segundo grau utiliza um método astucioso: o completamento de quadrados (inspirado, por sua vez, nos produtos notáveis) que permite simplificar a equação ao extrair a raiz quadrada ao eliminar o termo em  

Se   então:

Logo, tem-se, por definição de módulo, que:

Portanto,

Alternativamente, pode-se considerar a seguinte prova:

Discriminante e o estudo das raízesEditar

Na fórmula acima, a expressão que aparece sob a raiz quadrada é chamada de discriminante da equação quadrática, e é comumente denotada pela letra grega delta maiúsculo:

 

Dessa forma, pode-se reescrever a fórmula resumidamente como:

 

Uma equação quadrática com coeficientes reais tem duas raízes reais, ou então duas raízes complexas. O discriminante da equação determina o número e a natureza das raízes. Há apenas três possibilidades: (Lembrando que todo polinômio de grau n, tem até n raízes; no caso particular de grau 2, então, deve haver até duas raízes.)

  • Se   a equação tem duas raízes reais e distintas:
  e  

No caso de equações quadráticas com coeficientes inteiros, se o discriminante for um quadrado perfeito, então as raízes são números racionais — em outros casos eles podem ser irracionais quadráticos.

  • Se   a equação tem duas raízes reais e iguais:

 
  • Se   a equação não possui qualquer raiz real. Em vez disso, ela possui duas raízes complexas distintas, que são conjugadas uma da outra:
  e  
onde i é a unidade imaginária.

GeometriaEditar

 Ver artigo principal: Função quadrática
 
Para a função quadrática:f(x) = x2x − 2 = (x + 1)(x − 2) de uma variável real x, as abcissas dos pontos nos quais o gráfico intersecta o eixo horzontal, x = −1 e x = 2, são as soluções da equação quadrática: x2x − 2 = 0.

Se  ,  , e   forem números reais, o problema de resolver a equação quadrática   é equivalente a encontrar os valores de   para os quais a função quadrática   - cujo domínio frequentemente se restringe aos números reais - cruza o eixo das abscissas em um gráfico de  . Isto é, os valores de   para os quais  . De fato, dada uma parábola cuja geometria esteja fixa (não haja deformações na forma de esticamentos ou achatamentos), o número de soluções para a função quadrática correspondente dependerá exclusivamente do transladamento da parábola ao longo do eixo das ordenadas (eixo y). Para uma parábola com concavidade voltada para o semieixo y positivo, há três possibilidades de localização para o mínimo global: ele pode estar localizado "abaixo" do eixo x, resultando em duas raízes distintas devido a duas intersecções da função com o mesmo; pode estar tangenciando o eixo x, situação na qual a raiz é dupla e é a própria abscissa do ponto de mínimo; e ele também pode estar acima do eixo x, não o interseccionando e indicando a não existência de raízes (dentro do domínio dos números reais). Um raciocínio similar é aplicável a uma parábola com concavidade voltada para o semieixo y negativo, podendo o máximo global estar "acima" de, tangenciar, ou estar "abaixo" do máximo global.

Disto segue que:

  •   O gráfico corta o eixo x em dois pontos.
  •   O gráfico apenas toca o eixo x em um ponto.
  •   O gráfico não corta o eixo x em nenhum ponto.

Ademais, é interessante notar que são necessárias apenas três coordenadas distintas em um gráfico para determinar inteiramente uma curva de polinômio de segundo grau.

Perfil da ParábolaEditar

A parábola de um polinômio de segundo grau possui apenas um máximo ou mínimo global. O perfil que a curva assume em um gráfico depende fundamentalmente dos coeficientes a, b e c, como se vê a seguir:[5]

  • a: Determina a concavidade da parábola. Valores negativos de a conferem à curva concavidade para baixo (aspecto de ∩), e valores positivos concavidade para cima (aspecto de U). Além disso, o módulo de a determina a abertura dessa concavidade.
  • b: De interpretação mais difícil, a variação de b desloca a curva numa trajetória parabólica.
  • c: Determina em que valor a curva corta o eixo y. Precisamente, no eixo y tem-se   logo a função reduz-se a  

Essas relações podem ser melhores entendidas nesta página (em inglês) que contém um gráfico interativo.

Fatoração (ou Factorização) da equação quadráticaEditar

O termo

 
é um fator do polinômio
 

se e somente se r é uma raiz da equação quadrática

 

Segue da fórmula quadrática que

 

No caso especial em que a quadrática possui apenas uma raiz (  isto é, discriminante nulo), o polinômio quadrático pode ser fatorado como

 

Relações entre coeficientes e raízesEditar

Fórmulas de VièteEditar

As fórmulas de Viète fornecem uma relação simples entre as raízes   e   de um polinômio e seus coeficientes. No caso do polinômio quadrático   elas tomam a seguinte forma:

 
e
 

Estas igualdades seguem diretamente da relação:

 
que pode ser comparada termo a termo com:
 
Denotando   como a soma da raízes, e   o produto entre elas, a equação pode ser reescrita da seguinte maneira:
 

Em alguns casos simples, o uso dessas propriedades permite que se deduza quais são as raízes, pela simples inspeção visual e tentativa de composição de dois números que satisfaçam as relações dadas para a soma e para o produto das raízes. A equação   por exemplo, tem   e   os quais fornecem facilmente por inspeção as raízes   e  

A primeira das duas fórmulas fornece também uma expressão conveniente ao traçar o gráfico de uma função quadrática. Uma vez que o gráfico é simétrico com relação a uma reta vertical passando pelo vértice da parábola, quando há duas raízes reais a abscissa do vértice está localizada na média aritmética das duas raízes, isto é, seu valor é dado pela expressão:

 

A outra coordenada pode ser obtida através da substituição do resultado anterior na expressão quadrática, resultando em

 

Assim, o gráfico da função   será sempre uma parábola com vértice em

 

Para um estudo mais detalhado do gráfico, ver função quadrática.

 
Gráfico de duas avaliações da menor raiz de uma quadrática: avaliação direta através da fórmula quadrática (preciso no pequenos valores de b) e uma aproximação para raízes amplamente espaçadas (preciso para grandes valores de b). A diferença atinge um mínimo nos pontos grandes, e o arredondamento provoca rabiscos na curva acima deste valor mínimo.

Instabilidade da equação quadráticaEditar

Em termos práticos, as fórmulas de Viète fornecem um método útil para a busca de raízes de uma quadrática no caso em que uma raiz é bem menor do que a outra. Se |x1| << |x2|, então x1 + x2x1, e tem-se a estimativa:

 
Da segunda fórmula de Viète resulta:
 

Estas fórmulas são mais fáceis de avaliar do que a Fórmula de Bhaskara sob a condição de que uma raiz é grande e uma pequena, porque a fórmula de resolução de equações quadráticas avalia a raiz menor como a diferença entre dois números praticamente iguais (no caso em que b é grande), o que causa erros de arredondamento em avaliações numéricas. A figura ao lado mostra a diferença entre (i) um calculo direto usando a fórmula de Bhaskara (preciso quando as raízes têm valores próximos) e (ii) uma avaliação baseada na aproximação das fórmulas de Viète dadas acima (precisa quando as raízes estão bem separadas). Conforme o coeficiente linear b aumenta, inicialmente a fórmula quadrática é precisa, e a fórmula aproximada melhora sua precisão, levando a pequenas diferenças entre os métodos ao aumentar b. No entanto, em algum ponto a fórmula de Bhaskara começa a perder precisão devido aos erros de arredondamento, enquanto o método aproximado continua a melhorar.

Outro algoritmo robusto e menos propenso a erros de arredondamento envolve a utilização da seguinte fórmula, assumindo   e  

 
Aqui, sgn é a função sinal, em que   é 1 se   é positivo, e -1 se   é negativo. Isso evita certos problemas de cancelamento na conta.

Essas situações de instabilidade são frequentes em projetos de amplificadores, nos quais é desejável raízes bastante separadas para garantir uma operação estável.

Outras relações entre as raízesEditar

Denotando-se as raízes de uma equação do segundo grau por   e   sua soma por   e seu produto por   verificam-se as seguintes relações entre as raízes:

Notas e referências

  1. a b Morgado, José. «Equação do 2° grau». Universidade do Porto 
  2. a b Oliveira, Naysa Crystine Nogueira. «Equação do segundo grau». InfoEscola 
  3. a b «O que é uma Equação Quadrática?». matemática.pt 
  4. Refatti & Bisognin (2005), p. 2.
  5. https://www.geogebra.org/m/RVF4GYcX

BibliografiaEditar

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