1.2 Yhtälön avulla ratkaistavat probleemat Kun matemaattista probleemaa lähdetään ratkaisemaan yhtälöä hyväksi käyttäen, tilanne on vaikeampi kuin ratkaistaessa yhtälöä mekaanisesti. Nyt on näet itse laadittava yhtälö ja vielä ennen yhtälön laatimistakin on osattava valita, mikä on se kyseisessä tehtävässä ilmaistu seikka, jonka valitsee tuntemattomaksi. Esimerkki saattaa opettaa jotakin käytettävistä menettelytavoista. Esim. 1 Raimon kuukausipalkasta meni ruokakaupan laskun maksamiseen seitsemäsosa, asuntolainan lyhennykseen viidesosa ja veroihin kaksi viidesosaa. Paljonko Raimon palkka oli, kun edellälueteltujen vähennysten jälkeen siitä oli jäljellä 801? Tässä ensimmäinen mieleentuleva ja kukaties ainoa järkevä tapa tunte-mattoman valitsemiseksi on se, että merkitään Raimon bruttopalkka =. Yhtälön voi nyt rakentaa kahdellakin tavalla, joista toisen voi helposti johtaa toisesta. Palkka koostuu ruokakaupan laskusta (/7), lainanlyhennyksestä (/), verosta (2/) sekä säästöön jäävästä osuudesta. On siis voimassa yhtälö: 7 7 + + 2 + 801= 2 + + + 801 = + 7 + 14 + 801 = siirretään termit 801 = 12 14 280 = 9 280 = 9 = 11 Tarkistus: 11 11 2 11 11 = 801 7!. OK Vastaus: Raimon palkka oli 11 /kk
Esim. 2 Jani lähti rekalla Rostockin satamasta kello 19 ajamaan Lyypekin, Hampurin ja Bremenin kautta kohti Amsterdamia käyttäen 84 km/h keskivauhtia. Täsmälleen 1 minuuttia myöhemmin lähti samasta paikasta samaa tietä Minna ajaen 90 km/h keskivauhtia. Jani ajaa pysähtymättä 4½ tuntia ja käy tauolle. Tavoittaako Minna Janin ennen taukopaikkaa ja jos tavoittaa, paljonko on kello ja pitkästikö he ovat tällöin ajaneet? Tavoittakoon Minna Janin tunnin kuluttua siitä, kun lähti ajamaan. Hänen autonsa vauhdinrajoitin on ilmeisesti rikki. Koska tasaisessa liikkeessä matka = aika kertaa vauhti, niin Minna on tässä ajassa ajanut 90 km. Koska Jani on ollut liikkeellä neljännestunnin pidemmän ajan eli + 0.2 h, on hänen kulkemansa matka ( + 0.2) 84 km. Jos oletetaan Minnan saavuttavan Janin ennen taukopaikkaa, niin molemmat ovat ajaneet yhtä pitkästi, ja siten on voimassa yhtälö 90 = 84( + 0.2). Kun tätä sievennetään, saadaan 90 = 84 + 21 90 84 = 21 6 = 21 21 1 = = 6 2 Siis Minna sai Janin kiinni kolmen ja puolen tunnin kuluttua. Tässä 7 km ajassa Minna ehti ajaa h 90 = 1 km. 2 h Esim. Kolmion kulmat suhtautuvat kuten 1:2:. Mitkä ovat kulmien asteluvut? Sellaisia lukuja, jotka suhtautuvat toisiinsa kuten 1:2: ovat, 2 ja onpa mikä nollasta eroava reaaliluku tahansa. Nyt on määrättävä niin, että kulmien astelukujen summa on 180, ja siinähän se yhtälö jo sitten onkin. + 2 + = 180 6 = 180
= 0 ja vastaavat kulmat ovat = 0o, 2 = 60o ja = 90o. Jos tarkistuksen vuoksi lasketaan kulmien asteluvut yhteen, niin jo saadaan summaksi 180o. Probleeman ratkaisuun kuuluvat näin seuraavat vaiheet: 1) Luetaan tehtävä tarkkaan läpi ja katsotaan, mitä siinä kysytään. Yritetään ankkuroida tilanne käytäntöön ja pitää jalat maassa. 2) Mietitään asiaa ) Valitaan tuntematon. Usein tuntemattomaksi kannattaa valita jokin tehtävässä kysytyistä seikoista. Poikkeuksiakin on (esim. 1.10). 4) Yhtälö muodostetaan. Tehtävän sanamuodon tarkan analysoinnin pitäisi olla riittävä paljastamaan, millä tavoin jokin asia voidaan kirjoittaa kahdella eri tavalla niin, että näiden väliin on helppo työntää yhtäsuuruusmerkki. ) Yhtälö ratkaistaan. 6) Tarkistetaan, täyttääkö tulos probleemassa asetetut ehdot. 7) Annetaan vastaus. Esim. 4 Antti lähti Kokkolasta yöllä minuutilleen klo viemään rikkihappolastia Joutsenoon, ajomatka tasan 00 km, ajaen tasaista 82 km/h vauhtia välittämättä mitään autonkuljettajien työaikalaista. Samana yönä kellon ollessa 20 vailla lähtee Joutsenosta Pasi tyhjällä autolla kohti Kokkolaa vauhtimittarin jököttäessä 9 km/h viivalla. Missä autot sivuuttavat toisensa ja paljonko kohtauspaikalta on Jyväskylään matkaa, kun Jyväskylä sijaitsee koko lailla tarkoin matkan puolessa välissä? Paljonko kello tällöin on? Tämäntyyppinen tehtävä on jo yläasteen fysiikassa ratkaistu graafisesti ja tällainen piirros onkin erinomainen keino tarkistaa, onko saatu tulos sinne päinkään, kuin pitäisi. Fysiikassa valittiin reitin toinen päätepiste, esim. Kokkola origoksi, jolloin Jyväskylän paikkakoordinaatti on 20 ja Joutsenon 00 km. Yhtälön voi rakentaa nyt esimerkiksi siitä, että sivuutushetkellä kummankin auton
paikkakoordinaatti on sama. Edelleen mahdollisia ratkaisukeinoja saattaisivat olla sellaiset, missä ajettujen matkojen summa on 00 km tai ajoaikojen erotus on 1h 40 min. Tutkitaan kaikkia näitä vaihtoehtoja. Rutiinia pitäisi hankkia, ja sitä kautta oppia vähitellen haistelemaan ja aavistamaan, mikä keino vähimmällä vaivalla vie päämäärään. Kun ajoaika ilmaistaan tunteina ja vauhti kilometreinä tunnissa, niin tuttu kaava s = vt antaa ajetun matkan kilometreinä. Jos valitaan Antin ajoajaksi (parempi valinta saattaisi olla t, ettei uraudu), niin Pasin 2 ajoaika on silloin 1 h = h. Antti on kiskonut maantietä ajok- kinsa keulan alle 82 (km) ja Pasi 9( ) (km). Ajettujen matkojen summa on 00 km, joten saadaan yhtälö 82 + 9( ) = 00 9 82 + 9 = 00 9 82 + 9 = + 00 9 + 00 177 = 9 + 100 = =.719... 177 Antin ajoaika kohtaamishetkeen saakka on.719... h eli suunnilleen h 4 min, jonka kuluessa hän on ajanut matkan.71... 82 km = = 04.99... km 0 km. Tämä merkitsee sitä, että kohtaamishetkellä kello on + 4 = 64, ja matkaa Jyväskylään on likimain (0 20) km = km. Vastaus: Kello on suunnilleen varttia vailla seitsemän ja kohtauspaikka km Jyväskylästä Joutsenoon päin.
Jos yhtälön kirjoittaminen perustetaan siihen, että ajoaikojen erotus on / tuntia, niin valitaan tuntemattomaksi Antin ajama matka. Silloin Pasi on taittanut taivalta 00, ja kun ajoaika saadaan jakamalla matka käytetyllä vauhdilla, niin Antin ajoaika on ja Pasin 82 00. Nämä ovat tunteja, ja kun näiden erotuksen tulee olla /, 9 niin saadaan yhtälö (Antti on ajanut pidemmän aikaa!) 00 = 82 9 Koska kaikki nimittäjät tässä ovat keskenään jaottomia, tulee yhtälö nyt kertoa niiden tulolla eli luvulla 82 9 = 270. Merkitään nimittäjien poistossa kertominen suoritetuksi tulomuodossa, jolloin on helppo (Mikkelistä ei kannata ajaa Helsinkiin Kuopion kautta) supistaa: 82 9 82 9 (00 ) 82 9 = 82 9 9 82 (00 ) = 82 9 28-12000 + 246 = 890 28 + 246 = 12000 + 890 1 = 16190, josta 16190 = = 04.99... 1 Tämä Antin ajomatka on desimaalilleen sama kuin edelliselläkin tavalla. Katsellaan vielä yhtälön muodostamista paikkakoordinaatin mukaan koordinaatistossa, jonka origo on Kokkolassa ja piste 00 (km) Joutsenossa. Autojen liikkuessa Antin paikkakoordinaatti kasvaa koko ajan, mutta Pasin ajokissa se pienenee alkuarvosta 00 km. Pasin auton vauhti on negatiivinen valitussa koordinaatistossa. Antille = 82t, missä t on Antin ajoaika ja Pasille = 00 9(t /).
Kun autot kohtaavat, on kummallakin siis sama paikkakoordinaatti ja saadaan yhtälö 82t = 00 9(t /), mikä vähäisten termien siirtojen jälkeen on täsmälleen sama yhtälö, kuin ensiksi käsitelty.