En álgebra elemental , completar el cuadrado es una técnica para convertir un polinomio cuadrático de la forma
a la forma
para algunos valores de h y k .
En otras palabras, completar el cuadrado coloca un trinomio cuadrado perfecto dentro de una expresión cuadrática.
Esta cuadrática no es un cuadrado perfecto, ya que 28 no es el cuadrado de 5:
Sin embargo, es posible escribir la cuadrática original como la suma de este cuadrado y una constante:
A esto se le llama completar el cuadrado .
Descripción general
Dada cualquier cuadrática mónica
es posible formar un cuadrado que tenga los mismos dos primeros términos:
Este cuadrado se diferencia de la cuadrática original sólo en el valor del término constante. Por tanto, podemos escribir
dónde . Esta operación se conoce como completar el cuadrado . Por ejemplo:
Caso no monónico
Dado un polinomio cuadrático de la forma,
es posible factorizar el coeficiente a y luego completar el cuadrado para obtener el polinomio mónico resultante .
Ejemplo:
este proceso de factorizar el coeficiente a se puede simplificar aún más factorizándolo solo de los primeros 2 términos. No es necesario incluir el número entero al final del polinomio.
Ejemplo:
Esto permite escribir cualquier polinomio cuadrático en la forma
Fórmula
Caso escalar
El resultado de completar el cuadrado se puede escribir como una fórmula. En el caso general, se tiene [6]
con
Una forma de ver esto es notar que la gráfica de la función f ( x ) = x 2 es una parábola cuyo vértice está en el origen (0, 0). Por lo tanto, la gráfica de la función f ( x − h ) = ( x − h ) 2 es una parábola desplazada hacia la derecha por h cuyo vértice está en ( h , 0), como se muestra en la figura superior. En contraste, la gráfica de la función f ( x ) + k = x 2 + k es una parábola desplazada hacia arriba por k cuyo vértice está en (0, k ) , como se muestra en la figura central. Combinando desplazamientos horizontales y verticales se obtiene f ( x − h ) + k = ( x − h ) 2 + k es una parábola desplazada hacia la derecha por h y hacia arriba por k cuyo vértice está en ( h , k ) , como se muestra en la figura inferior.
Resolver ecuaciones cuadráticas
Completar el cuadrado se puede utilizar para resolver cualquier ecuación cuadrática . Por ejemplo:
El primer paso es completar el cuadrado:
A continuación resolvemos el término al cuadrado:
Entonces cualquiera
y por lo tanto
Esto se puede aplicar a cualquier ecuación cuadrática. Cuando x 2 tiene un coeficiente distinto de 1, el primer paso es dividir la ecuación por este coeficiente: para ver un ejemplo, consulte el caso no mónico a continuación.
Raíces irracionales y complejas
A diferencia de los métodos que implican factorizar la ecuación, que es confiable solo si las raíces son racionales , al completar el cuadrado se encontrarán las raíces de una ecuación cuadrática incluso cuando esas raíces sean irracionales o complejas . Por ejemplo, considere la ecuación
Completar el cuadrado da
entonces
Entonces o
En lenguaje más conciso:
entonces
Las ecuaciones con raíces complejas se pueden manejar de la misma manera. Por ejemplo:
Caso no monónico
Para una ecuación que involucra una cuadrática no mónica , el primer paso para resolverla es dividirla por el coeficiente de x 2 . Por ejemplo:
La aplicación de este procedimiento a la forma general de una ecuación cuadrática conduce a la fórmula cuadrática .
Otras aplicaciones
Integración
Completar el cuadrado se puede utilizar para evaluar cualquier integral de la forma
usando las integrales básicas
Por ejemplo, considere la integral
Completando el cuadrado en el denominador se obtiene:
Esto ahora se puede evaluar usando la sustitución u = x + 3, lo que produce
Números complejos
Considere la expresión
donde z y b son números complejos , z * y b * son los conjugados complejos de z y b , respectivamente, y c es un número real . Usando la identidad | tu | 2 = uu * podemos reescribir esto como
que es claramente una cantidad real. Esto es porque
Como otro ejemplo, la expresión
donde a , b , c , x e y son números reales, con a > 0 y b > 0, se puede expresar en términos del cuadrado del valor absoluto de un número complejo. Definir
Entonces
matriz idempotente
Una matriz M es idempotente cuando M 2 = M . Las matrices idempotentes generalizan las propiedades idempotentes de 0 y 1. La finalización del método cuadrado para abordar la ecuación
muestra que algunas matrices idempotentes 2 × 2 están parametrizadas por un círculo en el plano ( a , b ):
La matriz será idempotente siempre que al completar el cuadrado quede
En el plano ( a , b ), esta es la ecuación de un círculo con centro (1/2, 0) y radio 1/2.
Perspectiva geométrica
Considere completar el cuadrado de la ecuación.
Dado que x 2 representa el área de un cuadrado con un lado de longitud x y bx representa el área de un rectángulo con lados b y x , el proceso de completar el cuadrado puede verse como una manipulación visual de rectángulos.
Los intentos simples de combinar los rectángulos x 2 y bx en un cuadrado más grande dan como resultado una esquina faltante. El término ( b /2) 2 añadido a cada lado de la ecuación anterior es precisamente el área de la esquina faltante, de donde se deriva la terminología "completar el cuadrado". [7]
Una variación de la técnica.
Como se enseña convencionalmente, completar el cuadrado consiste en sumar el tercer término, v 2 para
obtener un cuadrado. También hay casos en los que se puede sumar el término medio, ya sea 2 uv o −2 uv , para
obtener un cuadrado.
Ejemplo: la suma de un número positivo y su recíproco
Escribiendo
demostramos que la suma de un número positivo x y su recíproco es siempre mayor o igual a 2. El cuadrado de una expresión real siempre es mayor o igual a cero, lo que da la cota indicada; y aquí logramos 2 justo cuando x es 1, lo que hace que el cuadrado desaparezca.
Ejemplo: factorizar un polinomio cuártico simple
Considere el problema de factorizar el polinomio.
Esto es
así, el término medio es 2( x 2 )(18) = 36 x 2 . Así obtenemos
(la última línea se agregó simplemente para seguir la convención de grados decrecientes de términos).
El mismo argumento muestra que siempre es factorizable como
(También conocida como identidad de Sophie Germain ).
Completando el cubo
"Completar el cuadrado" consiste en remarcar que los dos primeros términos de un polinomio cuadrático son también los primeros términos del cuadrado de un polinomio lineal , y utilizar esto para expresar el polinomio cuadrático como suma de un cuadrado y una constante.
Completar el cubo es una técnica similar que permite transformar un polinomio cúbico en un polinomio cúbico sin término de grado dos.
Más precisamente, si
es un polinomio en x tal que sus dos primeros términos son los dos primeros términos de la forma expandida de
proporciona un polinomio cúbico sin término de grado dos, que se denomina forma deprimida del polinomio original.
Esta transformación es generalmente el primer paso de los métodos para resolver la ecuación cúbica general.
De manera más general, se puede utilizar una transformación similar para eliminar términos de grado en polinomios de grado , lo que se denomina transformación de Tschirnhaus .
Referencias
^ Dionissios T. Hristopulos (2020). Campos aleatorios para el modelado de datos espaciales: introducción para científicos e ingenieros. Naturaleza Springer. pag. 267.ISBN 978-94-024-1918-4.Extracto de la página 267
^ James R. Brannan; William E. Boyce (2015). Ecuaciones diferenciales: una introducción a los métodos y aplicaciones modernos (3ª ed.). John Wiley e hijos. pag. 314.ISBN978-1-118-98122-1.Extracto de la página 314
^ Stephen L. Campbell; Richard Haberman (2011). Introducción a las ecuaciones diferenciales con sistemas dinámicos (edición ilustrada). Prensa de la Universidad de Princeton. pag. 214.ISBN978-1-4008-4132-5.Extracto de la página 214
^ Tony Philips, "Completar el cuadrado", columna destacada de la American Mathematical Society , 2020.
^ Hughes, Bernabé. "Completar el cuadrado: cuadráticas mediante la suma". Asociación de Matemáticas de América . Consultado el 21 de octubre de 2022 .
^ Narasimhan, Revathi (2008). Precálculo: construcción de conceptos y conexiones. Aprendizaje Cengage. págs. 133-134. ISBN978-0-618-41301-0., Sección Fórmula para el vértice de una función cuadrática, páginas 133–134, figura 2.4.8
^ Carroll, Maureen T.; Rykken, Elyn (2018). Geometría: la línea y el círculo. Libros de texto AMS/MAA. Sociedad Matemática Estadounidense. pag. 162.ISBN978-1-4704-4843-1. Consultado el 31 de marzo de 2024 .