Teorema lui Pitagora și factorul comun

Din experiența mea, peste 90% dintre elevi nu știu să folosească trucul de care vă voi vorbi în acest articol.

Este vorba despre modul rapid în care putem găsi a treia latură a unui triunghi dreptunghic atunci când le cunoaștem pe celelalte două. Desigur, se aplică teorema lui Pitagora, dar maniera de calcul este mult mai eficientă cu ajutorul factorului comun.

Așadar, să presupunem pentru început că ni se dă un triunghi dreptunghic a cărui ipotenuză are lungimea de 75 cm, iar una dintre catete are lungimea de 60 cm și se dorește determinarea celeilalte catete. 

În acest caz, un elev gospodar se va pune pe treabă utilizând teorema lui Pitagora și va scrie că 

$$c_1=\sqrt{ip^2-c_2^2}=\sqrt{75^2-60^2}=\sqrt{5625-3600}=\sqrt{2025}=45.$$

Desigur, toate au mers brici, în ipoteza că știm să ridicăm repede la pătrat numărul 75 și știm să extragem repede radical din 2025. 

Apropo! Știți să ridicați repede la pătrat un număr care se termină cu 5? E foarte fain: se înmulțește numărul din fața lui 5 cu succesorul său și se adaugă la final numărul 25, așa cum vedeți în exemplele din imaginea de mai jos.

Dar să revenim la teorema lui Pitagora. În cazul precedent (și în toate cazurile similare, cu factor comun) putem să observăm că cele două numere date în ipoteză, adică 75 și 60, au un divizor comun destul de mare, pe 15. Această observație ne va permite să facem calculele mult mai ușor. Pentru că dacă două dintre laturi au un divizor comun (desigur, ne referim la lungimile lor, prin abuz de limbaj), atunci cu certitudine și cea de-a treia latură va avea același divizor. Astfel, în cazul exemplului nostru, dacă 75 și 60 îl au ca divizor pe 15, atunci cu siguranță și 45 îl va avea ca divizor pe 15. 

Acest avantaj ne ajută să lucrăm cu numere mult mai mici. Căci, abstracție făcând de divizorul 15, triunghiul nostru se comportă acum ca și cum ar avea laturile mai mici de 15 ori. Adică, este suficient să găsim cu teorema lui Pitagora cateta necunoscută pentru un triunghi mai mic, cu laturile fără 15, după care să înmulțim înapoi cu 15.

Demonstrația acestui fapt pentru triunghiul inițial este simplă, căci putem scrie:

$$c_1=\sqrt{75^2-60^2}=\sqrt{(5\cdot\color{red}{15})^2-(4\cdot\color{red}{15})^2}=\sqrt{5^2-4^2}\cdot\color{red}{15}.$$

Cazul prezentat este mai simplu, căci se bazează pe celebrul și binecunoscutul triplet pitagoreic fundamental $\color{red}{3,4,5}$ cu derivatele sale obținute prin înmulțirea cu un factor natural. Dar utilitatea metodei descrise iese mai bine în evidență în cazuri mai complicate, cum este cazul triunghiului ale cărui catete sunt, de exemplu, 16 și 24. Cât va fi în acest caz ipotenuza?

Dacă nu aplicăm trucul, trecem prin următorul chin:

$$ip=\sqrt{16^2+24^2}=\sqrt{256+576}=\sqrt{832}.$$

Și, desigur, pentru a găsi cât este radicalul lui 832 vă veți mai chinui să-l descompuneți:

obținând, în sfârșit, ipotenuza ca fiind egală cu $8\sqrt{13}$.

Dar ce am fi câștigat dacă foloseam trucul cu factorul comun? Păi, în loc să lucrăm cu triunghiul mare, am fi descoperit că 16 și 24 îl au pe 8 ca factor comun:

și atunci lucram cu triunghiul mic

pentru a-l descoperi pe $\sqrt{13}$, adică procedam ca în imaginea:

Eu sper din toată inima ca acest truc să vă ajute să câștigați timp de-acum încolo atunci când doriți să găsiți mai rapid cea de-a treia latură a unui triunghi dreptunghic, dacă celelalte două au un divizor comun mare.

Problema 6 din testul-fulger: calculează $\frac{21+\sqrt{98}}{3+\sqrt{2}}$

Pentru a face calculul cerut de problema 6 în 60 de secunde

$$\frac{21+\sqrt{98}}{3+\sqrt{2}}$$

va trebui să aducem la o formă mai simplă expresia, așa cum spuneam la problema 4 deja rezolvată. Dar, de data aceasta, numitorul acestei fracții urâte este oarecum mai complicat, căci are o adunare și ar însemna că raționalizarea numitorului acestei fracții ar fi ceva mai laborioasă decât a fost la problema 4.

Rezolvarea cu factorul comun

Mai bine, dacă aruncăm o privire la numărătorul fracției (partea de sus), constatăm că acolo se află radicalul $\sqrt{98}$ pe care elevul cu experiență știe că trebuie să-l modifice puțin, adică „să scoată factorul de sub radical”, căci numărul 98 nu este „liber de pătrate”, în el ascunzându-se pătratul perfect $49$. Așadar, din $\sqrt{98}$ putem să facem $$\sqrt{98}=\sqrt{49\cdot 2}=\sqrt{49}\cdot\sqrt{2}=7\sqrt{2}.$$

Cu această observație, fracția noastră devine acum 
$$\frac{21+\sqrt{98}}{3+\sqrt{2}}=\frac{21+7\sqrt{2}}{3+\sqrt{2}}.$$

Acum numărătorul are o poveste fascinantă, care ne va permite să rezolvăm mai repede problema decât am fi rezolvat-o dacă porneam pe drumul raționalizării. Mai exact, expresia $21+7\sqrt{2}$ ne permite să dăm factorul comun pe $7$, deoarece $21=7\cdot 3$. Atunci calculul nostru devine mult mai interesant:

$$\frac{21+\sqrt{98}}{3+\sqrt{2}}=\frac{21+7\sqrt{2}}{3+\sqrt{2}}=\frac{7(3+\sqrt{2})}{3+\sqrt{2}}.$$

Sunt convins că acum ați observat deja magia calculului care urmează: putem simplifica cu $\color{blue}{3+\sqrt{2}}$! Yuuuuppppiiii! Ce simplu a fooost! Așadar, simplificând obținem 

$$\frac{21+\sqrt{98}}{3+\sqrt{2}}=\frac{21+7\sqrt{2}}{3+\sqrt{2}}=\frac{7(\color{blue}{3+\sqrt{2}})}{\color{blue}{3+\sqrt{2}}}=\frac{7}{1}=\color{red}{7}.$$

Rezolvarea cu raționalizarea

Desigur, dacă am fi urmat drumul raționalizării înainte să observăm că se naște factorul comun ce ne va permite simplificarea, am fi ajuns la aceeași valoare, căci Matematica este coerentă, doar că ne-ar fi purtat pe căi mai întortocheate. Iată cam ce însemna raționalizarea numitorului, deci amplificarea cu conjugata.

Știm că atunci când avem o sumă (sau diferență) cu radicali la numitor, putem amplifica fracția cu așa-numita „expresie conjugată”, adică exact aceeași expresie care se regăsește deja la numitor, doar că cu semnul schimbat (dacă este sumă, amplificăm cu diferența, iar dacă e diferență amplificăm cu suma).

Atunci, făcând amplificarea și muncind cu răbdare pentru a desface apoi parantezele prin înmulțirea termenilor corespunzători, avem

$$\frac{21+\sqrt{98}}{3+\sqrt{2}}=\frac{(3-\sqrt{2})(21+\sqrt{98})}{(3-\sqrt{2})(3+\sqrt{2})}=$$

$$=\frac{63+3\sqrt{98}-21\sqrt{2}-\sqrt{2}\sqrt{98}}{9-2}.$$

Observați că pentru numitor am folosit formula de calcul prescurtat care spune că $$\color{red}{(a-b)(a+b)=a^2-b^2},$$ adică $(3-\sqrt{2})(3+\sqrt{2})=3^2-(\sqrt{2})^2=9-2$.

Apoi, ocupându-ne de numărător și observând că $3\sqrt{98}=3\cdot 7\sqrt{2}=21\sqrt{2}$, care se va reduce cu $-21\sqrt{2}$ și observând că produsul acela de radicali va da $\sqrt{2}\sqrt{98}=\sqrt{196}=14$, calculul nostru devine atunci 

$$\frac{63+3\sqrt{98}-21\sqrt{2}-\sqrt{2}\sqrt{98}}{9-2}=\frac{63-14}{7}=\frac{49}{7}=\color{red}{7}.$$

O groază de lucru cu raționalizarea asta, dar măcar tot i-am dat de capăt și am ajuns la același rezultat.