Wiskunde basisschool en onderbouw · Grades 1–9
66Algebra en vergelijkingen
Letters staan voor getallen, en rekenen met letters bewijst feiten over alle getallen tegelijk. Dit hoofdstuk oefent het uitwerken en het ontbinden in factoren — met de drie merkwaardige producten die je door de hele wiskunde zullen volgen — en lost vergelijkingen van de eerste graad, productvergelijkingen en eenvoudige ongelijkheden op, telkens één verantwoorde stap per keer.
66.1 Uitwerken
Definitie 66.1 (Uitwerken)
Uitwerken betekent een product omzetten in een som, met behulp van de distributiviteit:
Voorbeeld 66.2
Elke term van het eerste haakje vermenigvuldigt elke term van het tweede:
De tekens reizen met de termen mee:
Stelling 66.3 (De drie merkwaardige producten)
Voor alle getallen en :
Bewijs. Werk elk linkerlid uit. Voor het eerste: . Voor het tweede: vervang in het eerste door . Voor het derde: (de kruistermen vallen weg). ∎
Voorbeeld 66.4
Hoofdrekenen: , en .
66.2 Ontbinden in factoren
Methode 66.5 (Ontbinden in factoren)
Om een uitdrukking te ontbinden, probeer je op deze volgorde:
- gemeenschappelijke factor: , waarbij zelf een haakje mag zijn;
- verschil van kwadraten: ;
- volkomen kwadraat: (en met : ).
Ga het resultaat altijd na door het uit te werken.
Voorbeeld 66.6
Gemeenschappelijke factor: .
Gemeenschappelijk haakje:
Verschil van kwadraten: , en
Elke factor heeft nog een gemeenschappelijke factor: .
66.3 Vergelijkingen
Methode 66.7 (Vergelijkingen van de eerste graad)
Om een vergelijking als op te lossen:
- breng de -termen in het ene lid en de getallen in het andere, door bij beide leden dezelfde grootheid op te tellen;
- herleid elk lid;
- deel beide leden door de coëfficiënt van ;
- ga de oplossing na in de oorspronkelijke vergelijking.
Voorbeeld 66.8
Controle: en . De oplossing is .
Met haakjes werk je eerst uit: wordt , dus en .
Stelling 66.9 (Nulproductregel)
Een product is nul als en slechts als minstens één factor nul is:
Bewijs. Is een factor nul, dan is het product dat duidelijk ook. Omgekeerd: is met , dan geeft beide leden door delen . ∎
Voorbeeld 66.10
Los op: ofwel , ofwel , dus zijn de oplossingen en .
Los op: ontbind eerst, , met oplossingen en .
Los op: deel nooit door ! Breng over en ontbind: , met oplossingen en .
66.4 Ongelijkheden
Propositie 66.11 (Regels voor ongelijkheden)
Een ongelijkheid blijft bewaard wanneer je bij beide leden hetzelfde getal optelt, en wanneer je beide leden met hetzelfde positieve getal vermenigvuldigt. Beide leden met een negatief getal vermenigvuldigen keert het ongelijkheidsteken om.
Bewijs. Is , dan is . Tel op: , dus is . Vermenigvuldig met : , dus is . Vermenigvuldig met : , dus is : de orde is omgekeerd. ∎
Voorbeeld 66.12
Los op:
De oplossingen zijn alle getallen groter dan : op een getallenlijn een open bolletje bij en arcering naar rechts.
66.5 Oefeningen
Oefening 66.1 ★
Werk uit en herleid:
Oplossing
Oplossing van Oefening 66.1.
.
.
.
.
Oefening 66.2 ★
Werk uit met de merkwaardige producten:
Oplossing
Oplossing van Oefening 66.2.
.
.
.
.
Oefening 66.3 ★
Bereken uit het hoofd, met een merkwaardig product: ; (schrijf ); .
Oplossing
Oplossing van Oefening 66.3.
.
.
.
Oefening 66.4 ★
Ontbind in factoren:
Oplossing
Oplossing van Oefening 66.4.
.
.
.
.
Oefening 66.5 ★
Los op en schrijf elke stap uit:
Oplossing
Oplossing van Oefening 66.5.
: , dus .
: , dus .
: , dus en .
Oefening 66.6 ★★
Los op met de nulproductregel:
Oplossing
Oplossing van Oefening 66.6.
: of .
: of .
: de enige oplossing .
: , dus of .
Oefening 66.7 ★★
Ontbind in factoren, en los daarna op.
Oplossing
Oplossing van Oefening 66.7.
Verschil van kwadraten met en :
Nulproductregel: geeft , en geeft .
Oefening 66.8 ★★
Los de ongelijkheden op en stel de oplossingen voor op een getallenlijn:
Oplossing
Oplossing van Oefening 66.8.
: , dus (gevuld bolletje bij , arcering naar rechts).
: ; delen door keert het teken om: (open bolletje bij , arcering naar links).
: , dus en (gevuld bolletje bij , arcering naar links).
Oefening 66.9 ★★
Ik denk aan een getal, vermenigvuldig het met , tel er bij op, en krijg hetzelfde resultaat als wanneer ik het met had vermenigvuldigd en er van had afgetrokken. Wat is mijn getal? (Stel een vergelijking op en los die op.)
Oplossing
Oplossing van Oefening 66.9.
Zij het getal: . Dan is , dus . Controle: en .
Oefening 66.10 ★★★
Zij een heel getal.
66.6 Opgave: de algebra van de cijfers
Probleem 66.1
Weekendopgave — waarom de deelbaarheidsregels werken, de truc met 1089 ontmaskerd, en hoofdrekenen dat op toverkunst lijkt
Op de basisschool leerde je regels (een getal is deelbaar door wanneer zijn cijfersom dat is); goochelaars voeren trucs op (iedereen eindigt op ); op de markt kennen ze kortere wegen (, in een oogwenk). Het is allemaal hetzelfde geheim: een getal met cijfers , , is de uitdrukking , en de algebra van dit hoofdstuk (Stelling 66.3, uitwerken, ontbinden) kan die uit elkaar halen. Aan het einde van deze opgave heb je de regels bewezen, de truc ontmaskerd en de toverkunst geleerd.
Deel I — Cijfers onder de microscoop.
- Een getal van twee cijfers met tiental en eenheid is . Werk het verschil tussen het getal en zijn omkering, , uit en ontbind het, en formuleer de ontdekking. Ga het na op .
Bewijs de deelbaarheidsregel voor voor getallen van drie cijfers: ga de gelijkheid
na, en leg uit waarom die laat zien dat een getal en zijn cijfersom dezelfde rest laten bij de deling door — zodat het ene precies dan deelbaar is door als het andere dat is (Propositie 64.3, nu bewezen).
- Leid de regel voor in één zin uit dezelfde gelijkheid af.
- De negenproef, de controle van de boekhouders: om te toetsen, vervang je elk getal door de cijfersom van zijn cijfersom: , , en ; en dan : samenhangend. Leg uit waarom een juist product de proef moet doorstaan (schrijf , en werk uit), en zoek een verkeerd resultaat dat de proef niet opmerkt (waarom zijn verwisselde cijfers voor haar onzichtbaar?).
Bewijs de deelbaarheidsregel voor voor getallen van vier cijfers: ga
na, en gebruik die om te beslissen of deelbaar is door .
Deel II — De truc met 1089. De truc: denk aan een getal van drie cijfers waarvan het eerste en het laatste cijfer minstens verschillen; keer het om; trek het kleinste van het grootste af; keer het resultaat om; tel de laatste twee getallen op. De goochelaar kondigt aan: 1089.
- Voer de truc uit op en op een getal van je keuze.
- Zij het getal met cijfers , , en . Ontbind de eerste aftrekking, , en noem alle waarden die ze kan aannemen wanneer van tot loopt.
Elk van die veelvouden van heeft een opvallend cijferpatroon. Ga, met , de gelijkheid
na, en lees de drie cijfers van af.
- Tel bij zijn eigen omkering op, met de cijfers van vraag 8, en bewijs dat het totaal is — wat ook is. De truc is dood; lang leve de algebra.
- Waarom eiste de goochelaar dat het eerste en het laatste cijfer minstens verschillen? Bekijk de gevallen en (waar de aftrekking geeft, dat als geschreven moet worden om de omkering te laten werken), en formuleer de kleine lettertjes die de truc eerlijk houden.
Deel III — Toverkunst voor dagelijks gebruik.
- De verjaardagstruc: “vermenigvuldig je geboortemaand met , tel er bij op, verdubbel, tel je geboortedag erbij op, trek er van af.” Toon aan dat het resultaat altijd is — maand en dag, in één oogopslag leesbaar. (Probeer het op iemand uit.)
- Je herontwerpt de truc als: “vermenigvuldig de maand met , tel er bij op, verdubbel, tel de dag erbij op.” Welk getal moet de kijker nu aan het einde aftrekken om dezelfde uitkomst met maand en dag te lezen?
- De truc van het ontbrekende cijfer: de kijker kiest een willekeurig getal, trekt er zijn cijfersom van af (vraag 2 zegt dat het resultaat altijd een veelvoud van is — leg dat uit voor een getal van drie cijfers), streept daarna één cijfer verschillend van nul door en leest je de overblijvende cijfers voor. Leg uit hoe je het doorgestreepte cijfer terugvindt, en waarom uitgesloten moest worden.
- Toverkunst van de markt: bewijs de gelijkheid , formuleer de regel om elk getal dat op eindigt te kwadrateren, en bereken , en uit het hoofd.
- Slot, in het verlengde van Oefening 66.10: bewijs dat de som van vijf opeenvolgende gehele getallen altijd een veelvoud van is, maar dat de som van vier opeenvolgende gehele getallen nooit een veelvoud van is. (Twee korte berekeningen — en één les over wat de algebra met de woorden “altijd” en “nooit” doet.)
Oplossing
Oplossing van Probleem 66.1.
1. : het verschil tussen een getal van twee cijfers en zijn omkering is altijd een veelvoud van . Controle: , en .
2. Het rechterlid uitwerken geeft . Het getal is dus een veelvoud van plus zijn cijfersom: bij deling door laten beide dezelfde rest. In het bijzonder betekent rest voor het ene rest voor het andere: de deelbaarheidsregel voor , bewezen.
3. is ook een veelvoud van , dus laat dezelfde gelijkheid zien dat het getal en zijn cijfersom bij deling door dezelfde rest laten: de regel voor .
4. Schrijf en . Dan is
het product laat dezelfde rest als , namelijk . Een juist resultaat moet dus ook rest laten — en dat doet . Maar de proef ziet alleen resten: en (met verwisselde cijfers) doorstaan haar even goed, dus bewijst doorstaan niets — alleen zakken is bezwarend.
5. Uitwerken: . Het getal is dus precies dan deelbaar door wanneer zijn alternerende som dat is. Voor : , deelbaar door : ja, .
6. ; . Elk geldig voorbeeld landt ook op .
7. . Voor :
8. . De drie cijfers van zijn dus , dan , dan (controle op : geeft , , ).
9. De omkering van heeft de cijfers , , , en is dus gelijk aan . Optellen:
onafhankelijk van . Wat het beginnetal ook is, de goochelaar zit veilig.
10. Is , dan geeft de aftrekking en sterft de truc onmiddellijk. Is , dan geeft ze , dat als de rij van drie cijfers behandeld moet worden (omkering , en : gered!). De kleine lettertjes: verschillen van werken alleen als de kijker het resultaat van de aftrekking met drie cijfers opschrijft, voorloopnul inbegrepen — een verschil van minstens eisen omzeilt de discussie.
11. : de tientallen (en honderdtallen, voor oktober–december) geven de maand, de eenheden (en tientallen) de dag.
12. : trek af.
13. Volgens vraag 2 is voor een van drie cijfers: altijd een veelvoud van (voor elke lengte werken soortgelijke gelijkheden). Een veelvoud van heeft een cijfersom die een veelvoud van is (weer vraag 2), dus moeten de cijfers die de kijker voorleest aangevuld worden tot het volgende veelvoud van : het ontbrekende cijfer is die aanvulling. Dubbelzinnigheid: is de som van de voorgelezen cijfers al een veelvoud van , dan kan het doorgestreepte cijfer of zijn — uitsluiten haalt de twijfel weg.
14. : schrijf , en plak er achter. : , dus . : , dus . : , dus .
15. Vijf opeenvolgende: : altijd een veelvoud van . Vier opeenvolgende: : rest bij de deling door , dus nooit een veelvoud. De algebra zet “het lijkt te werken” om in altijd, en “ik vond geen voorbeeld” in nooit — twee woorden die geen enkele hoeveelheid proberen kan bereiken (Methode 48.8).