Bài 2: Ứng dụng của hệ phương trình bậc nhất ba ẩn
Ứng dụng trong vật lí mạch điện, hóa học, toán học và kinh tế đời sống — Chuyên đề Toán 10 Kết nối tri thức.
📖 Lý thuyết✍️ Dạng toán & bài tập🎯 Trắc nghiệm
Bài 2: Ứng dụng của hệ phương trình bậc nhất ba ẩn
I. Tóm tắt lý thuyết trọng tâm
Toán học không chỉ là những con số trừu tượng mà còn là công cụ mạnh mẽ để giải quyết các vấn đề trong Khoa học tự nhiên và đời sống. Hệ phương trình bậc nhất ba ẩn được ứng dụng rộng rãi để mô hình hóa nhiều bài toán thực tế.
📋 Quy trình giải bài toán bằng cách lập hệ phương trình
Bước 1: Phân tích bài toán, chọn các đại lượng chưa biết làm ẩn số (thường là x,y,z). Đặt điều kiện và đơn vị cho ẩn.
Bước 2: Dựa vào các giả thiết và mối liên hệ giữa các đại lượng, lập hệ gồm 3 phương trình bậc nhất ba ẩn.
Bước 3: Giải hệ phương trình vừa lập (có thể dùng phương pháp Gauss hoặc máy tính cầm tay).
Bước 4: Đối chiếu nghiệm với điều kiện ban đầu, giải thích ý nghĩa thực tế và kết luận.
II. Các Dạng Toán Ứng Dụng Điển Hình
Dạng 1: Ứng dụng trong Vật lí (Tính toán mạch điện)
Theo định luật Kirchhoff 1 (nút mạch) và Kirchhoff 2 (mạch vòng), ta có thể thiết lập hệ phương trình để tính cường độ dòng điện đi qua các nhánh của dòng điện phức tạp.
🔍 Ví dụ 1: Tìm cường độ dòng điện qua các điện trở
Một mạch điện gồm 2 nguồn điện E1=14V, E2=14V và 3 điện trở R1=2Ω, R2=1Ω, R3=4Ω. Gọi I1,I2,I3 (A) lần lượt là cường độ dòng điện chạy qua ba điện trở. Áp dụng định luật Kirchhoff, ta có hệ phương trình:
Từ hai phương trình cuối, ta có I1=7−2I3 và I2=14−4I3.
Thế vào phương trình đầu: (7−2I3)+(14−4I3)−I3=0⇒21−7I3=0⇒I3=3 (A).
Suy ra I1=7−2(3)=1 (A), và I2=14−4(3)=2 (A).
Vậy cường độ dòng điện qua các điện trở R1,R2,R3 lần lượt là 1A,2A,3A.
Dạng 2: Ứng dụng trong Hóa học (Cân bằng phản ứng)
Hệ phương trình tuyến tính là lõi của thuật toán cân bằng phân tử trong các phản ứng hóa học phức tạp. Bằng cách bảo toàn tỉ lệ số nguyên tử mỗi nguyên tố ở hai vế, ta tìm được tập nghiệm cho phép chọn bộ hệ số nguyên dương nhỏ nhất.
🔍 Ví dụ 2: Cân bằng phản ứng Oxi hóa - Khử
Cân bằng phương trình phản ứng hóa học sau bằng phương pháp đại số: xNH3+yO2t∘,PtzNO+tH2O
💡Xem lời giải
Theo định luật bảo toàn nguyên tố đối với Nitơ (N), Hiđro (H) và Oxi (O), ta lần lượt có các phương trình:
N: x=z (1)
H: 3x=2t (2)
O: 2y=z+t (3)
Hệ có 4 ẩn nên ta có thể chọn giá trị cho một ẩn tùy ý. Để thuận tiện, giả sử ta gán sẵn t=1. Khi đó:
Để các hệ số phản ứng là các số nguyên dương nhỏ nhất, ta nhân tất cả với mẫu số chung nhỏ nhất là 6:
x=4,y=5,z=4,t=6.
Phương trình cân bằng: 4NH3+5O2t∘,Pt4NO+6H2O.
Dạng 3: Ứng dụng trong Toán học (Viết phương trình đồ thị)
Thông qua việc giải hệ 3 ẩn, ta có thể tìm ra đa thức f(x)=ax2+bx+c khi biết đồ thị đi qua ba điểm phân biệt đã cho.
🔍 Ví dụ 3: Lập phương trình Parabol
Tìm các hệ số a,b,c (a=0) biết đồ thị hàm số (P):y=ax2+bx+c đi qua ba điểm A(−1;6),B(1;0) và C(2;3).
💡Xem lời giải
Thay tọa độ ba điểm vào phương trình parabol, ta lập được hệ phương trình với 3 ẩn a,b,c:
Điểm A(−1;6): a(−1)2+b(−1)+c=6⇒a−b+c=6 (1)
Điểm B(1;0): a(1)2+b(1)+c=0⇒a+b+c=0 (2)
Điểm C(2;3): a(2)2+b(2)+c=3⇒4a+2b+c=3 (3)
Trừ (1) cho (2) vế theo vế: (a−b+c)−(a+b+c)=6−0⇒−2b=6⇒b=−3.
Thay b=−3 vào phương trình (2) và (3), ta thu được:
{a−3+c=04a−6+c=3⇔{a+c=34a+c=9
Trừ phương trình dưới cho phương trình trên: 3a=6⇒a=2.
Suy ra c=3−2=1.
Vậy hệ số cần tìm là a=2,b=−3,c=1. Khúc parabol có dạng: y=2x2−3x+1.
Dạng 4: Ứng dụng trong Kinh tế - Đời sống
Bài toán mua bán, lên kế hoạch chi tiêu, trộn hợp kim, pha hóa chất… là những ứng dụng phổ biến, thường yêu cầu thành lập bảng các phân số hệ thống để giải quyết.
🔍 Ví dụ 4: Bài toán bán hàng
Một cửa hàng kinh doanh 3 loại gạo: Gạo quê (15,000 đ/kg), Gạo thơm (18,000 đ/kg) và Gạo ST25 (20,000 đ/kg). Trong một ngày cửa hàng bán được tổng cộng 100 kg gạo, thu về số tiền là 1.780.000 đồng. Biết rằng khối lượng Gạo ST25 bán ra bằng đúng tổng khối lượng bán ra của hai loại gạo kia. Hỏi cửa hàng đã bán bao nhiêu kg mỗi loại?
💡Xem lời giải
Gọi x,y,z (kg) lần lượt là khối lượng Gạo quê, Gạo thơm và Gạo ST25 đã bán được (x,y,z>0).
Từ dữ kiện “Khối lượng gạo ST25 bán bằng tổng hai loại kia”, ta có: z=x+y hay x+y−z=0.
Tổng khối lượng là 100kg: x+y+z=100.
Tổng doanh thu (tính theo ngàn đồng): 15x+18y+20z=1780.
Hệ phương trình của bài toán là:
⎩⎨⎧x+y−z=0x+y+z=10015x+18y+20z=1780
Từ hai phương trình đầu: (x+y)−z=0 và (x+y)+z=100⇒2(x+y)=100⇒x+y=50 và z=50.
Thay z=50 vào phương trình thứ ba: 15x+18y+20(50)=1780⇒15x+18y=780.
Ta có hệ nhỏ: {x+y=5015x+18y=780⇔{15x+15y=75015x+18y=780⇒3y=30⇒y=10⇒x=40.
Vậy cửa hàng đã bán 40 kg gạo quê, 10 kg gạo thơm và 50 kg gạo ST25.
III. Trắc nghiệm ôn tập
Câu 1:Khi phân tích một mạch điện nhiều vòng, Định luật Kirchhoff 1 (định luật nút) thường tạo ra phương trình nào sau đây?
Câu 2:Hệ số a, b, c nào dưới đây tạo nên parabol đi qua 3 điểm (0; 0), (1; 1) và (2; 4)?
Đúng / Sai
Câu 3Đánh giá tính đúng sai của những phát biểu sau liên quan đến việc ứng dụng hệ phương trình:
a)Trong ứng dụng cân bằng hóa học, hệ bắt buộc chỉ có nghiệm duy nhất để bài toán có nghĩa.
b)Dùng hệ phương trình giúp tìm ra đa thức bậc hai khi biết đồ thị của nó đi qua 3 điểm phân biệt.
c)Trong bài toán kinh tế, khi thiết lập hệ ta không cần quan tâm đến điều kiện ẩn số.
d)Bằng thuật toán Gauss, có thể lập trình để máy tính và các trung tâm tính toán giải quyết tốt bài toán mạng lưới điện rộng lớn.
Câu 4:Theo công thức cân bằng phản ứng P + O2 -> P2O5 là 4P + 5O2 -> 2P2O5. Gọi hệ số của P2O5 là z. Nếu giả sử giải hệ phương trình với điều kiện bảo toàn Oxi và quy định z = 4 thì hệ số x của P phải là bao nhiêu?
IV. Bài tập tự luận
📝Bài tập tự luyện
Câu 1. Một xưởng cơ khí có 3 tổ công nhân A, B, C làm nhiệm vụ tiện các chi tiết chốt kim loại. Một ngày tổng cộng 3 tổ tiện được 1200 sản phẩm. Biết tổng số sản phẩm của tổ A và tổ B nhiều gấp đôi số sản phẩm của tổ C, và số chi tiết tổ B tiện được nhiều hơn tổ C là 50 chi tiết. Bằng cách thiết lập hệ phương trình, tính số sản phẩm mỗi tổ làm được trong ngày hôm đó.
💡Lời giải
Gọi x,y,z lần lượt là số chi tiết kim loại do tổ A, B, C sản xuất (x,y,z∈N∗).
Tổng số chi tiết của cả xưởng: x+y+z=1200.
Số sản phẩm của A và B gấp đôi C: x+y=2z⇔x+y−2z=0.
Sản lượng tổ B hơn tổ C 50 chiếc: y−z=50.
Lập hệ phương trình:
⎩⎨⎧x+y+z=1200x+y−2z=0y−z=50
Lấy pt (1) trừ pt (2) vế theo vế: 3z=1200⇒z=400.
Thay z=400 vào pt (3): y−400=50⇒y=450.
Thay y,z vào pt (1): x+450+400=1200⇒x=350.
Vậy tổ A, tổ B, và tổ C lần lượt sản xuất được 350, 450, và 400 sản phẩm. (Thỏa mãn điều kiện).
Câu 2. Bằng phương pháp lập hệ phương trình, hãy cân bằng phương trình phản ứng lên men của cồn và oxi để tạo ra Axit Axetic và nước: C2H5OH+O2→CH3COOH+H2O.
💡Lời giải
Gọi hệ số của phương trình lần lượt là x,y,z,t:
xC2H5OH+yO2→zCH3COOH+tH2O
Nhóm lại công thức hóa học để dễ đếm: xC2H6O+yO2→zC2H4O2+tH2O.
Lập hệ phương trình bảo toàn nguyên tố:
Carbon (C): 2x=2z⇒x=z
Hydrogen (H): 6x=4z+2t
Oxygen (O): x+2y=2z+t
Chọn trước z=1, ta có x=1.
Thay vào phương trình H: 6(1)=4(1)+2t⇒2t=2⇒t=1.
Thay vào phương trình O: 1+2y=2(1)+1⇒1+2y=3⇒y=1.
Thế nghiệm lại vào phương trình, tất cả các chất đều có hệ số 1:
C2H5OH+O2→CH3COOH+H2O. (Phản ứng đã tự cân bằng).
Câu 3. Cho một mạch điện có thiết kế gồm 3 nhánh. Gọi I1,I2,I3 là cường độ phân nhánh, người ta đo và lập được hệ phương trình như sau:
⎩⎨⎧I1−I2−I3=0−5I1+10I2=−1510I2−20I3=10
Giải mạch điện trên để tìm I1,I2,I3.
💡Lời giải
Rút gọn phương trình thứ hai và thứ ba để dễ giải:
Phương trình (2) chia cho -5: I1−2I2=3⇒I1=2I2+3.
Phương trình (3) chia cho 10: I2−2I3=1⇒2I3=I2−1⇒I3=2I2−1.
Thế I1 và I3 lên phương trình (1):
(2I2+3)−I2−(2I2−1)=0I2+3−2I2−1=02I2+6−I2+1=0I2+7=0⇒I2=−7 (Ampe).
Dòng điện mang giá trị âm tức là chiều dòng điện thực tế qua nhánh số 2 đi ngược chiều ban đầu giả sử.
Tính I1=2(−7)+3=−11 (A).
Tính I3=(−7−1)/2=−4 (A).
Vậy nghiệm của mạch điện là I1=−11A,I2=−7A,I3=−4A.
🎯
Luyện tập trắc nghiệm
Câu hỏi ngẫu nhiên từ ngân hàng đề — kiểm tra kiến thức ngay!