Многие считают, что показательные неравенства — это что-то такое сложное и непостижимое. И что научиться их решать — чуть ли не великое искусство, постичь которое способны лишь Избранные...
Полная брехня! Показательные неравенства — это просто. И решаются они всегда просто. Ну, почти всегда.:)
Сегодня мы разберём эту тему вдоль и поперёк. Этот урок будет очень полезен тем, кто только начинает разбираться в данном разделе школьной математики. Начнём с простых задач и будем двигаться к более сложным вопросам. Никакой жести сегодня не будет, но того, что вы сейчас прочитаете, будет достаточно, чтобы решить большинство неравенств на всяких контрольных и самостоятельных работах. И на этом вашем ЕГЭ тоже.
Как всегда, начнём с определения. Показательное неравенство — это любое неравенство, содержащее в себе показательную функцию. Другими словами, его всегда можно свести к неравенству вида
\[{{a}^{x}} \gt b\]
Где в роли $b$ может быть обычное число, а может быть и что-нибудь пожёстче. Примеры? Да пожалуйста:
\[\begin{align} & {{2}^{x}} \gt 4;\quad {{2}^{x-1}}\le \frac{1}{\sqrt{2}};\quad {{2}^{{{x}^{2}}-7x+14}} \lt 16; \\ & {{0,1}^{1-x}} \lt 0,01;\quad {{2}^{\frac{x}{2}}} \lt {{4}^{\frac{4}{x}}}. \\\end{align}\]
Думаю, смысл понятен: есть показательная функция ${{a}^{x}}$, её с чем-то сравнивают, а затем просят найти $x$. В особо клинических случаях вместо переменной $x$ могут засунуть какую-нибудь функцию $f\left(x \right)$ и тем самым чуть-чуть усложнить неравенство.:)
Конечно, в некоторых случаях неравенство может выглядеть более сурово. Вот, например:
\[{{9}^{x}}+8 \gt {{3}^{x+2}}\]
Или даже вот:
В целом, сложность таких неравенств может быть самой разной, но в итоге они всё равно сводятся к простой конструкции ${{a}^{x}} \gt b$. А уж с такой конструкцией мы как-нибудь разберёмся (в особо клинических случаях, когда ничего не приходит в голову, нам помогут логарифмы). Поэтому сейчас мы научимя решать такие простые конструкции.
Решение простейших показательных неравенств
Рассмотрим что-нибудь совсем простое. Например, вот это:
\[{{2}^{x}} \gt 4\]
Очевидно, что число справа можно переписать в виде степени двойки: $4={{2}^{2}}$. Таким образом, исходное неравенство перепишется в очень удобной форме:
\[{{2}^{x}} \gt {{2}^{2}}\]
И вот уже руки чешутся «зачеркнуть» двойки, стоящие в основаниях степеней, дабы получить ответ $x \gt 2$. Но перед тем как что там зачёркивать, давайте вспомним степени двойки:
\[{{2}^{1}}=2;\quad {{2}^{2}}=4;\quad {{2}^{3}}=8;\quad {{2}^{4}}=16;...\]
Как видим, чем большее число стоит в показателе степени, тем больше получается число на выходе. «Спасибо, кэп!» — воскликнет кто-нибудь из учеников. Разве бывает по-другому? К сожалению, бывает. Например:
\[{{\left(\frac{1}{2} \right)}^{1}}=\frac{1}{2};\quad {{\left(\frac{1}{2} \right)}^{2}}=\frac{1}{4};\quad {{\left(\frac{1}{2} \right)}^{3}}=\frac{1}{8};...\]
Тут тоже всё логично: чем больше степень, тем больше раз число 0,5 умножается само на себя (т.е. делится пополам). Таким образом, полученная последовательность чисел убывает, а разница между первой и второй последовательностью состоит лишь в основании:
- Если основание степени $a \gt 1$, то по мере роста показателя $n$ число ${{a}^{n}}$ тоже будет расти;
- И наоборот, если $0 \lt a \lt 1$, то по мере роста показателя $n$ число ${{a}^{n}}$ будет убывать.
Суммируя эти факты, мы получаем самое главное утверждение, на котором и основано всё решение показательных неравенств:
Если $a \gt 1$, то неравенство ${{a}^{x}} \gt {{a}^{n}}$ равносильно неравенству $x \gt n$. Если $0 \lt a \lt 1$, то неравенство ${{a}^{x}} \gt {{a}^{n}}$ равносильно неравенству $x \lt n$.
Другими словами, если основание больше единицы, его можно просто убрать — знак неравенства при этом не поменяется. А если основание меньше единицы, то его тоже можно убрать, но при этом придётся поменять и знак неравенства.
Обратите внимание: мы не рассмотрели варианты $a=1$ и $a\le 0$. Потому что в этих случаях возникает неопределённость. Допустим, как решить неравенство вида ${{1}^{x}} \gt 3$? Единица в любой степени снова даст единицу — мы никогда не получим тройку или больше. Т.е. решений нет.
С отрицательными основаниями всё ещё интереснее. Рассмотрим для примера вот такое неравенство:
\[{{\left(-2 \right)}^{x}} \gt 4\]
На первый взгляд, всё просто:
Правильно? А вот и нет! Достаточно подставить вместо $x$ парочку чётных и парочку нечётных чисел, чтобы убедиться что решение неверно. Взгляните:
\[\begin{align} & x=4\Rightarrow {{\left(-2 \right)}^{4}}=16 \gt 4; \\ & x=5\Rightarrow {{\left(-2 \right)}^{5}}=-32 \lt 4; \\ & x=6\Rightarrow {{\left(-2 \right)}^{6}}=64 \gt 4; \\ & x=7\Rightarrow {{\left(-2 \right)}^{7}}=-128 \lt 4. \\\end{align}\]
Как видите, знаки чередуются. А ведь есть ещё дробные степени и прочая жесть. Как, например, прикажете считать ${{\left(-2 \right)}^{\sqrt{7}}}$ (минус двойка в степени корень из семи)? Да никак!
Поэтому для определённости полагают, что во всех показательных неравенствах (и уравнениях, кстати, тоже) $1\ne a \gt 0$. И тогда всё решается очень просто:
\[{{a}^{x}} \gt {{a}^{n}}\Rightarrow \left[ \begin{align} & x \gt n\quad \left(a \gt 1 \right), \\ & x \lt n\quad \left(0 \lt a \lt 1 \right). \\\end{align} \right.\]
В общем, ещё раз запомните главное правило: если основание в показательном уравнении больше единицы, его можно просто убрать; а если основание меньше единицы, его тоже можно убрать, но при этом поменяется знак неравенства.
Примеры решения
Итак, рассмотрим несколько простых показательных неравенств:
\[\begin{align} & {{2}^{x-1}}\le \frac{1}{\sqrt{2}}; \\ & {{0,1}^{1-x}} \lt 0,01; \\ & {{2}^{{{x}^{2}}-7x+14}} \lt 16; \\ & {{0,2}^{1+{{x}^{2}}}}\ge \frac{1}{25}. \\\end{align}\]
Первостепенная задача во всех случаях одна и та же: свести неравенств к простейшему виду ${{a}^{x}} \gt {{a}^{n}}$. Именно это мы сейчас и сделаем с каждым неравенством, а заодно повторим свойства степеней и показательной функции. Итак, поехали!
\[{{2}^{x-1}}\le \frac{1}{\sqrt{2}}\]
Что здесь можно сделать? Ну, слева у нас и так стоит показательное выражение — ничего менять не надо. А вот справа стоит какая-то хрень: дробь, да ещё и в знаменателе корень!
Однако вспомним правила работы с дробями и степенями:
\[\begin{align} & \frac{1}{{{a}^{n}}}={{a}^{-n}}; \\ & \sqrt[k]{a}={{a}^{\frac{1}{k}}}. \\\end{align}\]
Что это значит? Во-первых, мы легко можем избавиться от дроби, превратив её в степень с отрицательным показателем. А во-вторых, поскольку в знаменателе стоит корень, было бы неплохо превратить и его в степень — на этот раз с дробным показателем.
Применим эти действия последовательно к правой части неравенства и посмотрим, что получится:
\[\frac{1}{\sqrt{2}}={{\left(\sqrt{2} \right)}^{-1}}={{\left({{2}^{\frac{1}{3}}} \right)}^{-1}}={{2}^{\frac{1}{3}\cdot \left(-1 \right)}}={{2}^{-\frac{1}{3}}}\]
Не забываем, что при возведении степени в степень показатели этих степеней складываются. И вообще, при работе с показательными уравнениями и неравенствами совершенно необходимо знать хотя бы простейшие правила работы со степенями:
\[\begin{align} & {{a}^{x}}\cdot {{a}^{y}}={{a}^{x+y}}; \\ & \frac{{{a}^{x}}}{{{a}^{y}}}={{a}^{x-y}}; \\ & {{\left({{a}^{x}} \right)}^{y}}={{a}^{x\cdot y}}. \\\end{align}\]
Собственно, последнее правило мы только что и применили. Поэтому наше исходное неравенство перепишется следующим образом:
\[{{2}^{x-1}}\le \frac{1}{\sqrt{2}}\Rightarrow {{2}^{x-1}}\le {{2}^{-\frac{1}{3}}}\]
Теперь избавляемся от двойки в основании. Поскольку 2 > 1, знак неравенства останется прежним:
\[\begin{align} & x-1\le -\frac{1}{3}\Rightarrow x\le 1-\frac{1}{3}=\frac{2}{3}; \\ & x\in \left(-\infty ;\frac{2}{3} \right]. \\\end{align}\]
Вот и всё решение! Основная сложность — вовсе не в показательной функции, а в грамотном преобразовании исходного выражения: нужно аккуратно и максимально быстро привести его к простейшему виду.
Рассмотрим второе неравенство:
\[{{0,1}^{1-x}} \lt 0,01\]
Так, так. Тут нас поджидают десятичные дроби. Как я уже много раз говорил, в любых выражениях со степенями следует избавляться от десятичных дробей — зачастую только так можно увидеть быстрое и простое решение. Вот и мы избавимся:
\[\begin{align} & 0,1=\frac{1}{10};\quad 0,01=\frac{1}{100}={{\left(\frac{1}{10} \right)}^{2}}; \\ & {{0,1}^{1-x}} \lt 0,01\Rightarrow {{\left(\frac{1}{10} \right)}^{1-x}} \lt {{\left(\frac{1}{10} \right)}^{2}}. \\\end{align}\]
Перед нами вновь простейшее неравенство, да ещё и с основанием 1/10, т.е. меньшим единицы. Что ж, убираем основания, попутно меняя знак с «меньше» на «больше», и получаем:
\[\begin{align} & 1-x \gt 2; \\ & -x \gt 2-1; \\ & -x \gt 1; \\& x \lt -1. \\\end{align}\]
Получили окончательный ответ: $x\in \left(-\infty ;-1 \right)$. Обратите внимание: ответом является именно множество, а ни в коем случае не конструкция вида $x \lt -1$. Потому что формально такая конструкция — это вовсе не множество, а неравенство относительно переменной $x$. Да, оно очень простое, но это не ответ!
Важное замечание . Данное неравенство можно было решить и по-другому — путём приведения обеих частей к степени с основанием, большим единицы. Взгляните:
\[\frac{1}{10}={{10}^{-1}}\Rightarrow {{\left({{10}^{-1}} \right)}^{1-x}} \lt {{\left({{10}^{-1}} \right)}^{2}}\Rightarrow {{10}^{-1\cdot \left(1-x \right)}} \lt {{10}^{-1\cdot 2}}\]
После такого преобразования мы вновь получим показательное неравенство, но с основанием 10 > 1. А это значит, что можно просто зачеркнуть десятку — знак неравенства при этом не поменяется. Получим:
\[\begin{align} & -1\cdot \left(1-x \right) \lt -1\cdot 2; \\ & x-1 \lt -2; \\ & x \lt -2+1=-1; \\ & x \lt -1. \\\end{align}\]
Как видите, ответ получился точь-в-точь такой же. При этом мы избавили себя от необходимости менять знак и вообще помнить какие-то там правила.:)
\[{{2}^{{{x}^{2}}-7x+14}} \lt 16\]
Однако пусть вас это не пугает. Чтобы ни находилось в показателях, технология решения самого неравенства остаётся прежней. Поэтому заметим для начала, что 16 = 2 4 . Перепишем исходное неравенство с учётом этого факта:
\[\begin{align} & {{2}^{{{x}^{2}}-7x+14}} \lt {{2}^{4}}; \\ & {{x}^{2}}-7x+14 \lt 4; \\ & {{x}^{2}}-7x+10 \lt 0. \\\end{align}\]
Ура! Мы получили обычное квадратное неравенство! Знак нигде не менялся, поскольку в основании стоит двойка — число, большее единицы.
Нули функции на числовой прямой
Расставляем знаки функции $f\left(x \right)={{x}^{2}}-7x+10$ — очевидно, её графиком будет парабола ветвями вверх, поэтому по бокам будут «плюсы». Нас интересует та область, где функция меньше нуля, т.е. $x\in \left(2;5 \right)$ — это и есть ответ к исходной задаче.
Наконец, рассмотрим ещё одно неравенство:
\[{{0,2}^{1+{{x}^{2}}}}\ge \frac{1}{25}\]
Опять видим показательную функцию с десятичной дробью в основании. Переводим эту дробь в обыкновенную:
\[\begin{align} & 0,2=\frac{2}{10}=\frac{1}{5}={{5}^{-1}}\Rightarrow \\ & \Rightarrow {{0,2}^{1+{{x}^{2}}}}={{\left({{5}^{-1}} \right)}^{1+{{x}^{2}}}}={{5}^{-1\cdot \left(1+{{x}^{2}} \right)}}\end{align}\]
В данном случае мы воспользовались приведённым ранее замечанием — свели основание к числу 5 > 1, чтобы упростить себе дальнейшее решение. Точно так же поступим и с правой частью:
\[\frac{1}{25}={{\left(\frac{1}{5} \right)}^{2}}={{\left({{5}^{-1}} \right)}^{2}}={{5}^{-1\cdot 2}}={{5}^{-2}}\]
Перепишем исходное неравенство с учётом обоих преобразований:
\[{{0,2}^{1+{{x}^{2}}}}\ge \frac{1}{25}\Rightarrow {{5}^{-1\cdot \left(1+{{x}^{2}} \right)}}\ge {{5}^{-2}}\]
Основания с обеих сторон одинаковы и превосходят единицу. Никаких других слагаемых справа и слева нет, поэтому просто «зачёркиваем» пятёрки и получаем совсем простое выражение:
\[\begin{align} & -1\cdot \left(1+{{x}^{2}} \right)\ge -2; \\ & -1-{{x}^{2}}\ge -2; \\ & -{{x}^{2}}\ge -2+1; \\ & -{{x}^{2}}\ge -1;\quad \left| \cdot \left(-1 \right) \right. \\ & {{x}^{2}}\le 1. \\\end{align}\]
Вот тут надо быть аккуратнее. Многие ученики любят просто извлечь квадратный корень их обеих частей неравенства и записать что-нибудь в духе $x\le 1\Rightarrow x\in \left(-\infty ;-1 \right]$. Делать этого ни в коем случае нельзя, поскольку корень из точного квадрата — это модуль, а ни в коем случае не исходная переменная:
\[\sqrt{{{x}^{2}}}=\left| x \right|\]
Однако работать с модулями — не самое приятное занятие, правда? Вот и мы не будем работать. А вместо этого просто перенесём все слагаемые влево и решим обычное неравенство методом интервалов:
$\begin{align} & {{x}^{2}}-1\le 0; \\ & \left(x-1 \right)\left(x+1 \right)\le 0 \\ & {{x}_{1}}=1;\quad {{x}_{2}}=-1; \\\end{align}$
Вновь отмечаем полученные точки на числовой прямой и смотрим знаки:
Обратите внимание: точки закрашены
Поскольку мы решали нестрогое неравенство, все точки на графике закрашены. Поэтому ответ будет такой: $x\in \left[ -1;1 \right]$ — не интервал, а именно отрезок.
В целом хотел бы заметить, что ничего сложного в показательных неравенствах нет. Смысл всех преобразований, которые мы сегодня выполняли, сводится к простому алгоритму:
- Найти основание, к которому будем приводить все степени;
- Аккуратно выполнить преобразования, чтобы получилось неравенство вида ${{a}^{x}} \gt {{a}^{n}}$. Разумеется вместо переменных $x$ и $n$ могут стоять гораздо более сложные функции, но смысл от этого не поменяется;
- Зачеркнуть основания степеней. При этом может поменяться знак неравенства, если основание $a \lt 1$.
По сути, это универсальный алгоритм решения всех таких неравенств. А всё, что вам ещё будут рассказывать по этой теме — лишь конкретные приёмы и хитрости, позволяющие упростить и ускорить преобразования. Вот об одном из таких приёмов мы сейчас и поговорим.:)
Метод рационализации
Рассмотрим ещё одну партию неравенств:
\[\begin{align} & {{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}^{x+7}} \gt {{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}^{{{x}^{2}}-3x+2}}; \\ & {{\left(2\sqrt{3}-3 \right)}^{{{x}^{2}}-2x}} \lt 1; \\ & {{\left(\frac{1}{3} \right)}^{{{x}^{2}}+2x}} \gt {{\left(\frac{1}{9} \right)}^{16-x}}; \\ & {{\left(3-2\sqrt{2} \right)}^{3x-{{x}^{2}}}} \lt 1. \\\end{align}\]
Ну и что в них такого особенного? Они же лёгкие. Хотя, стоп! Число π возводится в какую-то степень? Что за бред?
А как возвести в степень число $2\sqrt{3}-3$? Или $3-2\sqrt{2}$? Составители задач, очевидно, перепили «Боярышника» перед тем, как сесть за работу.:)
На самом деле ничего страшного в этих задачах нет. Напомню: показательной функцией называется выражение вида ${{a}^{x}}$, где основание $a$ — это любое положительное число, за исключением единицы. Число π положительно — это мы и так знаем. Числа $2\sqrt{3}-3$ и $3-2\sqrt{2}$ тоже положительны — в этом легко убедиться, если сравнить их с нулём.
Получается, что все эти «устрашающие» неравенства ничем не отличаются решаются от простых, рассмотренных выше? И решаются точно так же? Да, совершенно верно. Однако на их примере я хотел бы рассмотреть один приём, который здорово экономит время на самостоятельных работах и экзаменах. Речь пойдёт о методе рационализации. Итак, внимание:
Всякое показательное неравенство вида ${{a}^{x}} \gt {{a}^{n}}$ равносильно неравенству $\left(x-n \right)\cdot \left(a-1 \right) \gt 0$.
Вот и весь метод.:) А вы думали, что будет какая-нибудь очередная дичь? Ничего подобного! Но этот простой факт, записанный буквально в одну строчку, значительно упростит нам работу. Взгляните:
\[\begin{matrix} {{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}^{x+7}} \gt {{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}^{{{x}^{2}}-3x+2}} \\ \Downarrow \\ \left(x+7-\left({{x}^{2}}-3x+2 \right) \right)\cdot \left(\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }-1 \right) \gt 0 \\\end{matrix}\]
Вот и нет больше показательных функций! И не надо помнить: меняется знак или нет. Но возникает новая проблема: что делать с грёбаным множителем \[\left(\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }-1 \right)\]? Мы ведь не знаем, чему равно точное значение числа π. Впрочем, капитан очевидность как бы намекает:
\[\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }\approx 3,14... \gt 3\Rightarrow \text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }-1 \gt 3-1=2\]
В общем, точное значение π нас особо-то и не колышет — нам лишь важно понимать, что в любом случае $\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }-1 \gt 2$, т.е. это положительная константа, и мы можем разделить на неё обе части неравенства:
\[\begin{align} & \left(x+7-\left({{x}^{2}}-3x+2 \right) \right)\cdot \left(\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }-1 \right) \gt 0 \\ & x+7-\left({{x}^{2}}-3x+2 \right) \gt 0; \\ & x+7-{{x}^{2}}+3x-2 \gt 0; \\ & -{{x}^{2}}+4x+5 \gt 0;\quad \left| \cdot \left(-1 \right) \right. \\ & {{x}^{2}}-4x-5 \lt 0; \\ & \left(x-5 \right)\left(x+1 \right) \lt 0. \\\end{align}\]
Как видите, в определённый момент пришлось разделить на минус единицу — при этом знак неравенства поменялся. В конце я разложил квадратный трёхчлен по теореме Виета — очевидно, что корни равны ${{x}_{1}}=5$ и ${{x}_{2}}=-1$. Дальше всё решается классическим методом интервалов:
Решаем неравенство методом интервалов
Все точки выколоты, поскольку исходное неравенство строгое. Нас интересует область с отрицательными значениями, поэтому ответ: $x\in \left(-1;5 \right)$. Вот и всё решение.:)
Перейдём к следующей задаче:
\[{{\left(2\sqrt{3}-3 \right)}^{{{x}^{2}}-2x}} \lt 1\]
Тут вообще всё просто, потому что справа стоит единица. А мы помним, что единица — это любое число в нулевой степени. Даже если этим числом является иррациональное выражение, стоящее в основании слева:
\[\begin{align} & {{\left(2\sqrt{3}-3 \right)}^{{{x}^{2}}-2x}} \lt 1={{\left(2\sqrt{3}-3 \right)}^{0}}; \\ & {{\left(2\sqrt{3}-3 \right)}^{{{x}^{2}}-2x}} \lt {{\left(2\sqrt{3}-3 \right)}^{0}}; \\\end{align}\]
Что ж, выполняем рационализацию:
\[\begin{align} & \left({{x}^{2}}-2x-0 \right)\cdot \left(2\sqrt{3}-3-1 \right) \lt 0; \\ & \left({{x}^{2}}-2x-0 \right)\cdot \left(2\sqrt{3}-4 \right) \lt 0; \\ & \left({{x}^{2}}-2x-0 \right)\cdot 2\left(\sqrt{3}-2 \right) \lt 0. \\\end{align}\]
Осталось лишь разобраться со знаками. Множитель $2\left(\sqrt{3}-2 \right)$ не содержит переменной $x$ — это просто константа, и нам необходимо выяснить её знак. Для этого заметим следующее:
\[\begin{matrix} \sqrt{3} \lt \sqrt{4}=2 \\ \Downarrow \\ 2\left(\sqrt{3}-2 \right) \lt 2\cdot \left(2-2 \right)=0 \\\end{matrix}\]
Получается, что второй множитель — не просто константа, а отрицательная константа! И при делении на неё знак исходного неравенства поменяется на противоположный:
\[\begin{align} & \left({{x}^{2}}-2x-0 \right)\cdot 2\left(\sqrt{3}-2 \right) \lt 0; \\ & {{x}^{2}}-2x-0 \gt 0; \\ & x\left(x-2 \right) \gt 0. \\\end{align}\]
Теперь всё становится совсем очевидно. Корни квадратного трёхчлена, стоящего справа: ${{x}_{1}}=0$ и ${{x}_{2}}=2$. Отмечаем их на числовой прямой и смотрим знаки функции $f\left(x \right)=x\left(x-2 \right)$:
Случай, когда нас интересуют боковые интервалыНас интересуют интервалы, отмеченные знаком «плюс». Осталось лишь записать ответ:
Переходим к следующему примеру:
\[{{\left(\frac{1}{3} \right)}^{{{x}^{2}}+2x}} \gt {{\left(\frac{1}{9} \right)}^{16-x}}\]
Ну, тут совсем всё очевидно: в основаниях стоят степени одного и того же числа. Поэтому я распишу всё кратко:
\[\begin{matrix} \frac{1}{3}={{3}^{-1}};\quad \frac{1}{9}=\frac{1}{{{3}^{2}}}={{3}^{-2}} \\ \Downarrow \\ {{\left({{3}^{-1}} \right)}^{{{x}^{2}}+2x}} \gt {{\left({{3}^{-2}} \right)}^{16-x}} \\\end{matrix}\]
\[\begin{align} & {{3}^{-1\cdot \left({{x}^{2}}+2x \right)}} \gt {{3}^{-2\cdot \left(16-x \right)}}; \\ & {{3}^{-{{x}^{2}}-2x}} \gt {{3}^{-32+2x}}; \\ & \left(-{{x}^{2}}-2x-\left(-32+2x \right) \right)\cdot \left(3-1 \right) \gt 0; \\ & -{{x}^{2}}-2x+32-2x \gt 0; \\ & -{{x}^{2}}-4x+32 \gt 0;\quad \left| \cdot \left(-1 \right) \right. \\ & {{x}^{2}}+4x-32 \lt 0; \\ & \left(x+8 \right)\left(x-4 \right) \lt 0. \\\end{align}\]
Как видите, в процессе преобразований пришлось умножать на отрицательное число, поэтому поменялся знак неравенства. В самом конце я вновь применил теорему Виета для разложения на множители квадратного трёхчлена. В итоге ответ будет следующий: $x\in \left(-8;4 \right)$ — желающие могут убедиться в этом, нарисовав числовую прямую, отметив точки и посчитав знаки. А мы тем временем перейдём к последнему неравенству из нашего «комплекта»:
\[{{\left(3-2\sqrt{2} \right)}^{3x-{{x}^{2}}}} \lt 1\]
Как видим, в основании снова стоит иррациональное число, а справа снова стоит единица. Поэтому перепишем наше показательное неравенство следующим образом:
\[{{\left(3-2\sqrt{2} \right)}^{3x-{{x}^{2}}}} \lt {{\left(3-2\sqrt{2} \right)}^{0}}\]
Применяем рационализацию:
\[\begin{align} & \left(3x-{{x}^{2}}-0 \right)\cdot \left(3-2\sqrt{2}-1 \right) \lt 0; \\ & \left(3x-{{x}^{2}}-0 \right)\cdot \left(2-2\sqrt{2} \right) \lt 0; \\ & \left(3x-{{x}^{2}}-0 \right)\cdot 2\left(1-\sqrt{2} \right) \lt 0. \\\end{align}\]
Однако совершенно очевидно, что $1-\sqrt{2} \lt 0$, поскольку $\sqrt{2}\approx 1,4... \gt 1$. Поэтому второй множитель — вновь отрицательная константа, на которую можно разделить обе части неравенства:
\[\begin{matrix} \left(3x-{{x}^{2}}-0 \right)\cdot 2\left(1-\sqrt{2} \right) \lt 0 \\ \Downarrow \\\end{matrix}\]
\[\begin{align} & 3x-{{x}^{2}}-0 \gt 0; \\ & 3x-{{x}^{2}} \gt 0;\quad \left| \cdot \left(-1 \right) \right. \\ & {{x}^{2}}-3x \lt 0; \\ & x\left(x-3 \right) \lt 0. \\\end{align}\]
Переход к другому основанию
Отдельной проблемой при решении показательных неравенств является поиск «правильного» основания. К сожалению, далеко не всегда при первом взгляде на задание очевидно, что брать за основание, а что делать степенью этого основания.
Но не переживайте: здесь нет никакой магии и «секретных» технологий. В математике любой навык, который нельзя алгоритмизировать, можно легко выработать с помощью практики. Но для этого придётся решать задачи разного уровня сложности. Например, вот такие:
\[\begin{align} & {{2}^{\frac{x}{2}}} \lt {{4}^{\frac{4}{x}}}; \\ & {{\left(\frac{1}{3} \right)}^{\frac{3}{x}}}\ge {{3}^{2+x}}; \\ & {{\left(0,16 \right)}^{1+2x}}\cdot {{\left(6,25 \right)}^{x}}\ge 1; \\ & {{\left(\frac{27}{\sqrt{3}} \right)}^{-x}} \lt {{9}^{4-2x}}\cdot 81. \\\end{align}\]
Сложно? Страшно? Да это же проще, чем цыплёнка об асфальт! Давайте попробуем. Первое неравенство:
\[{{2}^{\frac{x}{2}}} \lt {{4}^{\frac{4}{x}}}\]
Ну, я думают, тут и ежу всё понятно:
Переписываем исходное неравенство, сводя всё к основанию «два»:
\[{{2}^{\frac{x}{2}}} \lt {{2}^{\frac{8}{x}}}\Rightarrow \left(\frac{x}{2}-\frac{8}{x} \right)\cdot \left(2-1 \right) \lt 0\]
Да, да, вы всё правильно поняли: я только что применил метод рационализации, описанный выше. Теперь нужно работать аккуратно: у нас получилось дробно-рациональное неравенство (это такое, у которого в знаменателе стоит переменная), поэтому прежде чем что-то приравнивать к нулю, необходимо привести всё к общему знаменателю и избавиться от множителя-константы.
\[\begin{align} & \left(\frac{x}{2}-\frac{8}{x} \right)\cdot \left(2-1 \right) \lt 0; \\ & \left(\frac{{{x}^{2}}-16}{2x} \right)\cdot 1 \lt 0; \\ & \frac{{{x}^{2}}-16}{2x} \lt 0. \\\end{align}\]
Теперь используем стандартный метод интервалов. Нули числителя: $x=\pm 4$. Знаменатель обращается в ноль только при $x=0$. Итого три точки, которые надо отметить на числовой прямой (все точки выколоты, т.к. знак неравенства строгий). Получим:
Более сложный случай: три корня
Как нетрудно догадаться, штриховкой отмечены те интервалы, на которых выражение слева принимает отрицательные значения. Поэтому в окончательный ответ пойдут сразу два интервала:
Концы интервалов не входят в ответ, поскольку исходное неравенство было строгим. Никаких дополнительных проверок этого ответа не требуется. В этом плане показательные неравенства намного проще логарифмических: никаких ОДЗ, никаких ограничений и т.д.
Переходим к следующей задаче:
\[{{\left(\frac{1}{3} \right)}^{\frac{3}{x}}}\ge {{3}^{2+x}}\]
Здесь тоже никаких проблем, поскольку мы уже знаем, что $\frac{1}{3}={{3}^{-1}}$, поэтому всё неравенство можно переписать так:
\[\begin{align} & {{\left({{3}^{-1}} \right)}^{\frac{3}{x}}}\ge {{3}^{2+x}}\Rightarrow {{3}^{-\frac{3}{x}}}\ge {{3}^{2+x}}; \\ & \left(-\frac{3}{x}-\left(2+x \right) \right)\cdot \left(3-1 \right)\ge 0; \\ & \left(-\frac{3}{x}-2-x \right)\cdot 2\ge 0;\quad \left| :\left(-2 \right) \right. \\ & \frac{3}{x}+2+x\le 0; \\ & \frac{{{x}^{2}}+2x+3}{x}\le 0. \\\end{align}\]
Обратите внимание: в третьей строчке я решил не мелочиться и сразу разделить всё на (−2). Минул ушёл в первую скобку (теперь там везде плюсы), а двойка сократилась с множителем-константой. Именно так и стоит поступать при оформлении реальных выкладок на самостоятельных и контрольных работах — не надо расписывать прям каждое действие и преобразование.
Далее в дело вступает знакомый нам метод интервалов. Нули числителя: а их нет. Потому что дискриминант будет отрицательный. В свою очередь знаменатель обнуляется лишь при $x=0$ — как и в прошлый раз. Ну и понятно, что справа от $x=0$ дробь будет принимать положительные значения, а слева — отрицательные. Поскольку нас интересуют именно отрицательные значения, то окончательный ответ: $x\in \left(-\infty ;0 \right)$.
\[{{\left(0,16 \right)}^{1+2x}}\cdot {{\left(6,25 \right)}^{x}}\ge 1\]
А что нужно делать с десятичными дробями в показательных неравенствах? Правильно: избавляться от них, переводя в обыкновенные. Вот и мы переведём:
\[\begin{align} & 0,16=\frac{16}{100}=\frac{4}{25}\Rightarrow {{\left(0,16 \right)}^{1+2x}}={{\left(\frac{4}{25} \right)}^{1+2x}}; \\ & 6,25=\frac{625}{100}=\frac{25}{4}\Rightarrow {{\left(6,25 \right)}^{x}}={{\left(\frac{25}{4} \right)}^{x}}. \\\end{align}\]
Ну и что мы получили в основаниях показательных функций? А получили мы два взаимно обратных числа:
\[\frac{25}{4}={{\left(\frac{4}{25} \right)}^{-1}}\Rightarrow {{\left(\frac{25}{4} \right)}^{x}}={{\left({{\left(\frac{4}{25} \right)}^{-1}} \right)}^{x}}={{\left(\frac{4}{25} \right)}^{-x}}\]
Таким образом исходное неравенство можно переписать так:
\[\begin{align} & {{\left(\frac{4}{25} \right)}^{1+2x}}\cdot {{\left(\frac{4}{25} \right)}^{-x}}\ge 1; \\ & {{\left(\frac{4}{25} \right)}^{1+2x+\left(-x \right)}}\ge {{\left(\frac{4}{25} \right)}^{0}}; \\ & {{\left(\frac{4}{25} \right)}^{x+1}}\ge {{\left(\frac{4}{25} \right)}^{0}}. \\\end{align}\]
Разумеется, при умножении степеней с одинаковым основанием их показатели складываются, что и произошло во второй строчке. Кроме того, мы представили единицу, стоящую справа, тоже в виде степени по основанию 4/25. Осталось лишь выполнить рационализацию:
\[{{\left(\frac{4}{25} \right)}^{x+1}}\ge {{\left(\frac{4}{25} \right)}^{0}}\Rightarrow \left(x+1-0 \right)\cdot \left(\frac{4}{25}-1 \right)\ge 0\]
Заметим, что $\frac{4}{25}-1=\frac{4-25}{25} \lt 0$, т.е. второй множитель является отрицательной константой, и при делении на неё знак неравенства поменяется:
\[\begin{align} & x+1-0\le 0\Rightarrow x\le -1; \\ & x\in \left(-\infty ;-1 \right]. \\\end{align}\]
Наконец, последнее неравенство из текущего «комплекта»:
\[{{\left(\frac{27}{\sqrt{3}} \right)}^{-x}} \lt {{9}^{4-2x}}\cdot 81\]
В принципе, идея решения тут тоже ясна: все показательные функции, входящие в состав неравенства, необходимо свести к основанию «3». Но для этого придётся немного повозиться с корнями и степенями:
\[\begin{align} & \frac{27}{\sqrt{3}}=\frac{{{3}^{3}}}{{{3}^{\frac{1}{3}}}}={{3}^{3-\frac{1}{3}}}={{3}^{\frac{8}{3}}}; \\ & 9={{3}^{2}};\quad 81={{3}^{4}}. \\\end{align}\]
С учётом этих фактов исходное неравенство можно переписать так:
\[\begin{align} & {{\left({{3}^{\frac{8}{3}}} \right)}^{-x}} \lt {{\left({{3}^{2}} \right)}^{4-2x}}\cdot {{3}^{4}}; \\ & {{3}^{-\frac{8x}{3}}} \lt {{3}^{8-4x}}\cdot {{3}^{4}}; \\ & {{3}^{-\frac{8x}{3}}} \lt {{3}^{8-4x+4}}; \\ & {{3}^{-\frac{8x}{3}}} \lt {{3}^{4-4x}}. \\\end{align}\]
Обратите внимание на 2-ю и 3-ю строчку выкладок: прежде чем что-то делать с неравенством, обязательно приведите его к тому виду, о котором мы говорили с самого начала урока: ${{a}^{x}} \lt {{a}^{n}}$. До тех пор, пока у вас слева или справа есть какие-то левые множители, дополнительные константы и т.д., никакую рационализацию и «зачёркивание» оснований выполнять нельзя ! Бесчисленное множество задач было выполнено неправильно из-за непонимания этого простого факта. Я сам постоянно наблюдаю эту проблему у моих учеников, когда мы только-только приступаем к разбору показательных и логарифмических неравенств.
Но вернёмся к нашей задаче. Попробуем в этот раз обойтись без рационализации. Вспоминаем: основание степени больше единицы, поэтому тройки можно просто зачеркнуть — знак неравенства при этом не поменяется. Получим:
\[\begin{align} & -\frac{8x}{3} \lt 4-4x; \\ & 4x-\frac{8x}{3} \lt 4; \\ & \frac{4x}{3} \lt 4; \\ & 4x \lt 12; \\ & x \lt 3. \\\end{align}\]
Вот и всё. Окончательный ответ: $x\in \left(-\infty ;3 \right)$.
Выделение устойчивого выражения и замена переменной
В заключение предлагаю решить ещё четыре показательных неравенства, которые уже являются довольно сложными для неподготовленных учеников. Чтобы справиться с ними, необходимо вспомнить правила работы со степенями. В частности — вынесение общих множителей за скобки.
Но самое главное — научиться понимать: что именно можно вынести за скобки. Такое выражение называется устойчивым — его можно обозначить новой переменной и таким образом избавиться от показательной функции. Итак, посмотрим на задачи:
\[\begin{align} & {{5}^{x+2}}+{{5}^{x+1}}\ge 6; \\ & {{3}^{x}}+{{3}^{x+2}}\ge 90; \\ & {{25}^{x+1,5}}-{{5}^{2x+2}} \gt 2500; \\ & {{\left(0,5 \right)}^{-4x-8}}-{{16}^{x+1,5}} \gt 768. \\\end{align}\]
Начнём с самой первой строчки. Выпишем это неравенство отдельно:
\[{{5}^{x+2}}+{{5}^{x+1}}\ge 6\]
Заметим, что ${{5}^{x+2}}={{5}^{x+1+1}}={{5}^{x+1}}\cdot 5$, поэтому правую часть можно переписать:
Заметим, что никаких других показательных функций, кроме ${{5}^{x+1}}$, в неравенстве нет. И вообще, нигде больше не встречается переменная $x$, поэтому введём новую переменную: ${{5}^{x+1}}=t$. Получим следующую конструкцию:
\[\begin{align} & 5t+t\ge 6; \\ & 6t\ge 6; \\ & t\ge 1. \\\end{align}\]
Возвращаемся к исходной переменной ($t={{5}^{x+1}}$), а заодно вспоминаем, что 1=5 0 . Имеем:
\[\begin{align} & {{5}^{x+1}}\ge {{5}^{0}}; \\ & x+1\ge 0; \\ & x\ge -1. \\\end{align}\]
Вот и всё решение! Ответ: $x\in \left[ -1;+\infty \right)$. Переходим ко второму неравенству:
\[{{3}^{x}}+{{3}^{x+2}}\ge 90\]
Здесь всё то же самое. Заметим, что ${{3}^{x+2}}={{3}^{x}}\cdot {{3}^{2}}=9\cdot {{3}^{x}}$. Тогда левую часть можно переписать:
\[\begin{align} & {{3}^{x}}+9\cdot {{3}^{x}}\ge 90;\quad \left| {{3}^{x}}=t \right. \\ & t+9t\ge 90; \\ & 10t\ge 90; \\ & t\ge 9\Rightarrow {{3}^{x}}\ge 9\Rightarrow {{3}^{x}}\ge {{3}^{2}}; \\ & x\ge 2\Rightarrow x\in \left[ 2;+\infty \right). \\\end{align}\]
Вот примерно так и нужно оформлять решение на настоящих контрольных и самостоятельных работах.
Что ж, попробуем что-нибудь посложнее. Например, вот такое неравенство:
\[{{25}^{x+1,5}}-{{5}^{2x+2}} \gt 2500\]
В чём тут проблема? Прежде всего, основания показательных функций, стоящих слева, разные: 5 и 25. Однако 25 = 5 2 , поэтому первое слагаемое можно преобразовать:
\[\begin{align} & {{25}^{x+1,5}}={{\left({{5}^{2}} \right)}^{x+1,5}}={{5}^{2x+3}}; \\ & {{5}^{2x+3}}={{5}^{2x+2+1}}={{5}^{2x+2}}\cdot 5. \\\end{align}\]
Как видите, сначала мы всё привели к одинаковому основанию, а затем заметили, что первое слагаемое легко сводится ко второму — достаточно лишь разложить показатель. Теперь можно смело вводить новую переменную: ${{5}^{2x+2}}=t$, и всё неравенство перепишется так:
\[\begin{align} & 5t-t\ge 2500; \\ & 4t\ge 2500; \\ & t\ge 625={{5}^{4}}; \\ & {{5}^{2x+2}}\ge {{5}^{4}}; \\ & 2x+2\ge 4; \\ & 2x\ge 2; \\ & x\ge 1. \\\end{align}\]
И вновь никаких трудностей! Окончательный ответ: $x\in \left[ 1;+\infty \right)$. Переходим к заключительному неравенству в сегодняшнем уроке:
\[{{\left(0,5 \right)}^{-4x-8}}-{{16}^{x+1,5}} \gt 768\]
Первое, на что следует обратить внимание — это, конечно, десятичная дробь в основании первой степени. От неё необходимо избавиться, а заодно привести все показательные функции к одному и тому же основанию — числу «2»:
\[\begin{align} & 0,5=\frac{1}{2}={{2}^{-1}}\Rightarrow {{\left(0,5 \right)}^{-4x-8}}={{\left({{2}^{-1}} \right)}^{-4x-8}}={{2}^{4x+8}}; \\ & 16={{2}^{4}}\Rightarrow {{16}^{x+1,5}}={{\left({{2}^{4}} \right)}^{x+1,5}}={{2}^{4x+6}}; \\ & {{2}^{4x+8}}-{{2}^{4x+6}} \gt 768. \\\end{align}\]
Отлично, первый шаг мы сделали — всё привели к одному и тому же основанию. Теперь необходимо выделить устойчивое выражение. Заметим, что ${{2}^{4x+8}}={{2}^{4x+6+2}}={{2}^{4x+6}}\cdot 4$. Если ввести новую переменную ${{2}^{4x+6}}=t$, то исходное неравенство можно переписать так:
\[\begin{align} & 4t-t \gt 768; \\ & 3t \gt 768; \\ & t \gt 256={{2}^{8}}; \\ & {{2}^{4x+6}} \gt {{2}^{8}}; \\ & 4x+6 \gt 8; \\ & 4x \gt 2; \\ & x \gt \frac{1}{2}=0,5. \\\end{align}\]
Естественно, может возникнуть вопрос: каким это образом мы обнаружили, что 256 = 2 8 ? К сожалению, тут нужно просто знать степени двойки (а заодно степени тройки и пятёрки). Ну, или делить 256 на 2 (делить можно, поскольку 256 — чётное число) до тех пор, пока не получим результат. Выглядеть это будет примерно так:
\[\begin{align} & 256=128\cdot 2= \\ & =64\cdot 2\cdot 2= \\ & =32\cdot 2\cdot 2\cdot 2= \\ & =16\cdot 2\cdot 2\cdot 2\cdot 2= \\ & =8\cdot 2\cdot 2\cdot 2\cdot 2\cdot 2= \\ & =4\cdot 2\cdot 2\cdot 2\cdot 2\cdot 2\cdot 2= \\ & =2\cdot 2\cdot 2\cdot 2\cdot 2\cdot 2\cdot 2\cdot 2= \\ & ={{2}^{8}}.\end{align}\]
То же самое и с тройкой (числа 9, 27, 81 и 243 являются её степенями), и с семёркой (числа 49 и 343 тоже было бы неплохо запомнить). Ну, и у пятёрки тоже есть «красивые» степени, которые нужно знать:
\[\begin{align} & {{5}^{2}}=25; \\ & {{5}^{3}}=125; \\ & {{5}^{4}}=625; \\ & {{5}^{5}}=3125. \\\end{align}\]
Конечно, все эти числа при желании можно восстановить в уме, просто последовательно умножая их друг на друга. Однако, когда вам предстоит решить несколько показательных неравенств, причём каждое следующее сложнее предыдущего, то последнее, о чём хочется думать — это степени каких-то там чисел. И в этом смысле данные задачи являются более сложными, нежели «классические» неравенства, которые решаются методом интервалов.
Урок и презентация на тему: "Иррациональные неравенства. Неравенства с модулем"
Дополнительные материалы
Уважаемые пользователи, не забывайте оставлять свои комментарии, отзывы, пожелания! Все материалы проверены антивирусной программой.
Обучающие пособия и тренажеры в интернет-магазине "Интеграл" для 11 класса
Интерактивное пособие для 9–11 классов "Тригонометрия"
Интерактивное пособие для 10–11 классов "Логарифмы"
Ребята, на данном уроке мы рассмотрим способы решений двух видов неравенств. Они могут пригодиться при подготовке к единому государственному экзамену, если вы будете решать задачи из второй части экзамена.
Рассмотрим неравенство вида: $\sqrt{f(x)}
Первое, что мы должны иметь в виду, корень квадратный извлекается только из положительных чисел, поэтому $f(x)≥0$.
Второе, вспомните график функции корня квадратного. Значения, которые он принимает не меньше нуля. Тогда для выполнения условий неравенства, требуется условие $g(x)>0$, равенство нулю не возможно, так как наше исходное неравенство строгое и равенство значений не возможно.
Третье, обе части неравенства не отрицательные. Тогда, используя теорему 5, урока о равносильности неравенств, мы можем обе части нашего неравенства возвести квадрат, то есть получить неравенство: $f(x)
Итак, при решении иррациональных неравенств можно переходить к следующей системе неравенств:
$\sqrt{f(x)}
Теперь давайте рассмотрим неравенство вида: $\sqrt{f(x)}>g(x)$.
$f(x)≥0$ – это безусловное условие, которое должно накладываться, как и в предыдущем примере.
а) Заметим, если $g(x)
б) Если $g(x)≥0$, то обе части неравенства не отрицательны. Используя теорему 5, урока о равносильности неравенств, мы можем обе части нашего неравенства возвести квадрат, то есть получить неравенство: $f(x)>(g(x))^2$ - равносильное исходному.
В этом случае мы можем опустить проверку условия $f(x)≥0$: если $g(x)≥0$, то для $f(x)≥0$ подавно выполняется неравенство (вспомните неравенства следствия.)
Итак, неравенство $\sqrt{f(x)}>g(x)$ равносильно следующей совокупности систем:
Пример.
Решить неравенства:
а) $\sqrt{x^2+x-30}
Решение. Решим систему: $\begin {cases} (x-5)(x+6)≥0, \\ x>0, \\ x
Пример. Решение. Второй способ. Пример. Решение. Нам осталось решить совокупность двух систем: Сегодня, друзья, не будет никаких соплей и сантиментов. Вместо них я без лишних вопросов отправлю вас в бой с одним из самых грозных противников в курсе алгебры 8—9 класса. Да, вы всё правильно поняли: речь идёт о неравенствах с модулем. Мы рассмотрим четыре основных приёма, с помощью которых вы научитесь решать порядка 90% таких задач. А что с остальными 10%? Что ж, о них мы поговорим в отдельном уроке.:) Однако перед тем, как разбирать какие-то там приёмы, хотелось бы напомнить два факта, которые уже необходимо знать. Иначе вы рискуете вообще не понять материал сегодняшнего урока. Капитан Очевидность как бы намекает, что для решения неравенств с модулем необходимо знать две вещи: Начнём со второго пункта. Тут всё просто. Есть два определения: алгебраическое и графическое. Для начала — алгебраическое: Определение. Модуль числа $x$ — это либо само это число, если оно неотрицательно, либо число, ему противоположное, если исходный $x$ — всё-таки отрицателен. Записывается это так: \[\left| x \right|=\left\{ \begin{align} & x,\ x\ge 0, \\ & -x,\ x \lt 0. \\\end{align} \right.\] Говоря простым языком, модуль — это «число без минуса». И именно в этой двойственности (где-то с исходным числом ничего не надо делать, а где-то придётся убрать какой-то там минус) и заключается вся сложность для начинающих учеников. Есть ещё геометрическое определение. Его тоже полезно знать, но обращаться к нему мы будем лишь в сложных и каких-то специальных случаях, где геометрический подход удобнее алгебраического (спойлер: не сегодня). Определение. Пусть на числовой прямой отмечена точка $a$. Тогда модулем $\left| x-a \right|$ называется расстояние от точки $x$ до точки $a$ на этой прямой. Если начертить картинку, то получится что-то типа этого: Так или иначе, из определения модуля сразу следует его ключевое свойство: модуль числа всегда является величиной неотрицательной
. Этот факт будет красной нитью идти через всё наше сегодняшнее повествование. Теперь разберёмся с неравенствами. Их существует великое множество, но наша задача сейчас — уметь решать хотя бы самые простые из них. Те, которые сводятся к линейным неравенствам, а также к методу интервалов. На эту тему у меня есть два больших урока (между прочем, очень, ОЧЕНЬ полезных — рекомендую изучить): Если вы всё это знаете, если фраза «перейдём от неравенства к уравнению» не вызывает у вас смутное желание убиться об стену, то вы готовы: добро пожаловать в ад к основной теме урока.:) Это одна из самых часто встречающихся задач с модулями. Требуется решить неравенство вида: \[\left| f \right| \lt g\] В роли функций $f$ и $g$ может выступать что угодно, но обычно это многочлены. Примеры таких неравенств: \[\begin{align} & \left| 2x+3 \right| \lt x+7; \\ & \left| {{x}^{2}}+2x-3 \right|+3\left(x+1 \right) \lt 0; \\ & \left| {{x}^{2}}-2\left| x \right|-3 \right| \lt 2. \\\end{align}\] Все они решаются буквально в одну строчку по схеме: \[\left| f \right| \lt g\Rightarrow -g \lt f \lt g\quad \left(\Rightarrow \left\{ \begin{align} & f \lt g, \\ & f \gt -g \\\end{align} \right. \right)\] Нетрудно заметить, что избавляемся от модуля, но взамен получаем двойное неравенство (или, что тоже самое, систему из двух неравенств). Зато этот переход учитывает абсолютно все возможные проблемы: если число под модулем положительно, метод работает; если отрицательно — всё равно работает; и даже при самой неадекватной функции на месте $f$ или $g$ метод всё равно сработает. Естественно, возникает вопрос: а проще нельзя? К сожалению, нельзя. В этом вся фишка модуля. Впрочем, хватит философствовать. Давайте решим парочку задач: Задача. Решите неравенство: \[\left| 2x+3 \right| \lt x+7\] Решение. Итак, перед нами классическое неравенство вида «модуль меньше» — даже преобразовывать нечего. Работаем по алгоритму: \[\begin{align} & \left| f \right| \lt g\Rightarrow -g \lt f \lt g; \\ & \left| 2x+3 \right| \lt x+7\Rightarrow -\left(x+7 \right) \lt 2x+3 \lt x+7 \\\end{align}\] Не торопитесь раскрывать скобки, перед которыми стоит «минус»: вполне возможно, что из-за спешки вы допустите обидную ошибку. \[-x-7 \lt 2x+3 \lt x+7\] \[\left\{ \begin{align} & -x-7 \lt 2x+3 \\ & 2x+3 \lt x+7 \\ \end{align} \right.\] \[\left\{ \begin{align} & -3x \lt 10 \\ & x \lt 4 \\ \end{align} \right.\] \[\left\{ \begin{align} & x \gt -\frac{10}{3} \\ & x \lt 4 \\ \end{align} \right.\] Задача свелась к двум элементарным неравенствам. Отметим их решения на параллельных числовых прямых: Пересечением этих множеств и будет ответ. Ответ: $x\in \left(-\frac{10}{3};4 \right)$ Задача. Решите неравенство: \[\left| {{x}^{2}}+2x-3 \right|+3\left(x+1 \right) \lt 0\] Решение. Это задание уже чуть посложнее. Для начала уединим модуль, перенеся второе слагаемое вправо: \[\left| {{x}^{2}}+2x-3 \right| \lt -3\left(x+1 \right)\] Очевидно, перед нами вновь неравенство вида «модуль меньше», поэтому избавляемся от модуля по уже известному алгоритму: \[-\left(-3\left(x+1 \right) \right) \lt {{x}^{2}}+2x-3 \lt -3\left(x+1 \right)\] Вот сейчас внимание: кто-то скажет, что я немного извращенец со всеми этими скобками. Но ещё раз напомню, что наша ключевая цель — грамотно решить неравенство и получить ответ
. Позже, когда вы в совершенстве освоите всё, о чём рассказано в этом уроке, можете сами извращаться как хотите: раскрывать скобки, вносить минусы и т.д. А мы для начала просто избавимся от двойного минуса слева: \[-\left(-3\left(x+1 \right) \right)=\left(-1 \right)\cdot \left(-3 \right)\cdot \left(x+1 \right)=3\left(x+1 \right)\] Теперь раскроем все скобки в двойном неравенстве: Переходим к двойному неравенству. В этот раз выкладки будут посерьёзнее: \[\left\{ \begin{align} & {{x}^{2}}+2x-3 \lt -3x-3 \\ & 3x+3 \lt {{x}^{2}}+2x-3 \\ \end{align} \right.\] \[\left\{ \begin{align} & {{x}^{2}}+5x \lt 0 \\ & {{x}^{2}}-x-6 \gt 0 \\ \end{align} \right.\] Оба неравенства являются квадратными и решаются методом интервалов (потому и говорю: если не знаете, что это такое, лучше пока не браться за модули). Переходим к уравнению в первом неравенстве: \[\begin{align} & {{x}^{2}}+5x=0; \\ & x\left(x+5 \right)=0; \\ & {{x}_{1}}=0;{{x}_{2}}=-5. \\\end{align}\] Как видим, на выходе получилось неполное квадратное уравнение, которое решается элементарно. Теперь разберёмся со вторым неравенством системы. Там придётся применить теорему Виета: \[\begin{align} & {{x}^{2}}-x-6=0; \\ & \left(x-3 \right)\left(x+2 \right)=0; \\& {{x}_{1}}=3;{{x}_{2}}=-2. \\\end{align}\] Отмечаем полученные числа на двух параллельных прямых (отдельная для первого неравенства и отдельная для второго): Ответ: $x\in \left(-5;-2 \right)$ Думаю, после этих примеров схема решения предельно ясна: Аналогичный алгоритм существует и для неравенств следующего типа, когда модуль больше функции. Однако там есть парочка серьёзных «но». Об этих «но» мы сейчас и поговорим. Выглядят они так: \[\left| f \right| \gt g\] Похоже на предыдущее? Похоже. И тем не менее решаются такие задачи совсем по-другому. Формально схема следующая: \[\left| f \right| \gt g\Rightarrow \left[ \begin{align} & f \gt g, \\ & f \lt -g \\\end{align} \right.\] Другими словами, мы рассматриваем два случая: При этом варианты объединены квадратной скобкой, т.е. перед нами совокупность двух требований. Обратите внимание ещё раз: перед нами не система, а совокупность, поэтому в ответе множества объединяются, а не пересекаются
. Это принципиальное отличие от предыдущего пункта! Вообще, с объединениями и пересечениями у многих учеников сплошная путаница, поэтому давайте разберёмся в этом вопросе раз и навсегда: Чтобы ещё проще было запомнить, просто пририсуйте к этим знакам ножки, чтобы получились бокалы (вот только не надо сейчас обвинять меня в пропаганде наркомании и алкоголизма: если вы всерьёз изучаете этот урок, то вы уже наркоман): В переводе на русский это означает следующее: объединение (совокупность) включает в себя элементы из обоих множеств, поэтому никак не меньше каждого из них; а вот пересечение (система) включает в себя лишь те элементы, которые одновременно находятся и в первом множестве, и во втором. Поэтому пересечение множеств никогда не бывает больше множеств-исходников. Так стало понятнее? Вот и отлично. Переходим к практике. Задача. Решите неравенство: \[\left| 3x+1 \right| \gt 5-4x\] Решение. Действуем по схеме: \[\left| 3x+1 \right| \gt 5-4x\Rightarrow \left[ \begin{align} & 3x+1 \gt 5-4x \\ & 3x+1 \lt -\left(5-4x \right) \\\end{align} \right.\] Решаем каждое неравенство совокупности: \[\left[ \begin{align} & 3x+4x \gt 5-1 \\ & 3x-4x \lt -5-1 \\ \end{align} \right.\] \[\left[ \begin{align} & 7x \gt 4 \\ & -x \lt -6 \\ \end{align} \right.\] \[\left[ \begin{align} & x \gt 4/7\ \\ & x \gt 6 \\ \end{align} \right.\] Отмечаем каждое полученное множество на числовой прямой, а затем объединяем их: Совершенно очевидно, что ответом будет $x\in \left(\frac{4}{7};+\infty \right)$ Ответ: $x\in \left(\frac{4}{7};+\infty \right)$ Задача. Решите неравенство: \[\left| {{x}^{2}}+2x-3 \right| \gt x\] Решение. Ну что? Да ничего — всё то же самое. Переходим от неравенства с модулем к совокупности двух неравенств: \[\left| {{x}^{2}}+2x-3 \right| \gt x\Rightarrow \left[ \begin{align} & {{x}^{2}}+2x-3 \gt x \\ & {{x}^{2}}+2x-3 \lt -x \\\end{align} \right.\] Решаем каждое неравенство. К сожалению, корни там будут не оч: \[\begin{align} & {{x}^{2}}+2x-3 \gt x; \\ & {{x}^{2}}+x-3 \gt 0; \\ & D=1+12=13; \\ & x=\frac{-1\pm \sqrt{13}}{2}. \\\end{align}\] Во втором неравенстве тоже немного дичи: \[\begin{align} & {{x}^{2}}+2x-3 \lt -x; \\ & {{x}^{2}}+3x-3 \lt 0; \\ & D=9+12=21; \\ & x=\frac{-3\pm \sqrt{21}}{2}. \\\end{align}\] Теперь нужно отметить эти числа на двух осях — по одной оси для каждого неравенства. Однако отмечать точки нужно в правильном порядке: чем больше число, тем дальше сдвигам точку вправо. И вот тут нас ждёт подстава. Если с числами $\frac{-3-\sqrt{21}}{2} \lt \frac{-1-\sqrt{13}}{2}$ всё ясно (слагаемые в числителе первой дроби меньше слагаемых в числителе второй, поэтому сумма тоже меньше), с числами $\frac{-3-\sqrt{13}}{2} \lt \frac{-1+\sqrt{21}}{2}$ тоже не возникнет затруднений (положительное число заведомо больше отрицательного), то вот с последней парочкой всё не так однозначно. Что больше: $\frac{-3+\sqrt{21}}{2}$ или $\frac{-1+\sqrt{13}}{2}$? От ответа на этот вопрос будет зависеть расстановка точек на числовых прямых и, собственно, ответ. Поэтому давайте сравнивать: \[\begin{matrix} \frac{-1+\sqrt{13}}{2}\vee \frac{-3+\sqrt{21}}{2} \\ -1+\sqrt{13}\vee -3+\sqrt{21} \\ 2+\sqrt{13}\vee \sqrt{21} \\\end{matrix}\] Мы уединили корень, получили неотрицательные числа с обеих сторон неравенства, поэтому вправе возвести обе стороны в квадрат: \[\begin{matrix} {{\left(2+\sqrt{13} \right)}^{2}}\vee {{\left(\sqrt{21} \right)}^{2}} \\ 4+4\sqrt{13}+13\vee 21 \\ 4\sqrt{13}\vee 3 \\\end{matrix}\] Думаю, тут и ежу понятно, что $4\sqrt{13} \gt 3$, поэтому $\frac{-1+\sqrt{13}}{2} \gt \frac{-3+\sqrt{21}}{2}$, окончательно точки на осях будут расставлены вот так: Напомню, мы решаем совокупность, поэтому в ответ пойдёт объединение, а не пересечение заштрихованных множеств. Ответ: $x\in \left(-\infty ;\frac{-3+\sqrt{21}}{2} \right)\bigcup \left(\frac{-1+\sqrt{13}}{2};+\infty \right)$ Как видите, наша схема прекрасно работает как для простых задач, так и для весьма жёстких. Единственное «слабое место» в таком подходе — нужно грамотно сравнивать иррациональные числа (и поверьте: это не только корни). Но вопросам сравнения будет посвящён отдельный (и очень серьёзный урок). А мы идём дальше. Вот мы и добрались до самого интересного. Это неравенства вида: \[\left| f \right| \gt \left| g \right|\] Вообще говоря, алгоритм, о котором мы сейчас поговорим, верен н только для модуля. Он работает во всех неравенствах, где слева и справа стоят гарантированно неотрицательные выражения: Что делать с этими задачами? Просто помните: В неравенствах с неотрицательными «хвостами» можно возводить обе части в любую натуральную степень. Никаких дополнительных ограничений при этом не возникнет. Прежде всего нас будет интересовать возведение в квадрат — он сжигает модули и корни: \[\begin{align} & {{\left(\left| f \right| \right)}^{2}}={{f}^{2}}; \\ & {{\left(\sqrt{f} \right)}^{2}}=f. \\\end{align}\] Вот только не надо путать это с извлечением корня из квадрата: \[\sqrt{{{f}^{2}}}=\left| f \right|\ne f\] Бесчисленное множество ошибок было допущено в тот момент, когда ученик забывал ставить модуль! Но это совсем другая история (это как бы иррациональные уравнения), поэтому не будем сейчас в это углубляться. Давайте лучше решим парочку задач: Задача. Решите неравенство: \[\left| x+2 \right|\ge \left| 1-2x \right|\] Решение. Сразу заметим две вещи: Следовательно, можем возвести обе части неравенства в квадрат, чтобы избавиться от модуля и решать задачу обычным методом интервалов: \[\begin{align} & {{\left(\left| x+2 \right| \right)}^{2}}\ge {{\left(\left| 1-2x \right| \right)}^{2}}; \\ & {{\left(x+2 \right)}^{2}}\ge {{\left(2x-1 \right)}^{2}}. \\\end{align}\] На последнем шаге я слегка схитрил: поменял последовательность слагаемых, воспользовавшись чётностью модуля (по сути, умножил выражение $1-2x$ на −1). \[\begin{align} & {{\left(2x-1 \right)}^{2}}-{{\left(x+2 \right)}^{2}}\le 0; \\ & \left(\left(2x-1 \right)-\left(x+2 \right) \right)\cdot \left(\left(2x-1 \right)+\left(x+2 \right) \right)\le 0; \\ & \left(2x-1-x-2 \right)\cdot \left(2x-1+x+2 \right)\le 0; \\ & \left(x-3 \right)\cdot \left(3x+1 \right)\le 0. \\\end{align}\] Решаем методом интервалов. Переходим от неравенства к уравнению: \[\begin{align} & \left(x-3 \right)\left(3x+1 \right)=0; \\ & {{x}_{1}}=3;{{x}_{2}}=-\frac{1}{3}. \\\end{align}\] Отмечаем найденные корни на числовой прямой. Ещё раз: все точки закрашены, поскольку исходное неравенство — нестрогое! Напомню для особо упоротых: знаки мы берём из последнего неравенства, которое было записано перед переходом к уравнению. И закрашиваем области, требуемые в том же неравенстве. В нашем случае это $\left(x-3 \right)\left(3x+1 \right)\le 0$. Ну вот и всё. Задача решена. Ответ: $x\in \left[ -\frac{1}{3};3 \right]$. Задача. Решите неравенство: \[\left| {{x}^{2}}+x+1 \right|\le \left| {{x}^{2}}+3x+4 \right|\] Решение. Делаем всё то же самое. Я не буду комментировать — просто посмотрите на последовательность действий. Возводим в квадрат: \[\begin{align} & {{\left(\left| {{x}^{2}}+x+1 \right| \right)}^{2}}\le {{\left(\left| {{x}^{2}}+3x+4 \right| \right)}^{2}}; \\ & {{\left({{x}^{2}}+x+1 \right)}^{2}}\le {{\left({{x}^{2}}+3x+4 \right)}^{2}}; \\ & {{\left({{x}^{2}}+x+1 \right)}^{2}}-{{\left({{x}^{2}}+3x+4 \right)}^{2}}\le 0; \\ & \left({{x}^{2}}+x+1-{{x}^{2}}-3x-4 \right)\times \\ & \times \left({{x}^{2}}+x+1+{{x}^{2}}+3x+4 \right)\le 0; \\ & \left(-2x-3 \right)\left(2{{x}^{2}}+4x+5 \right)\le 0. \\\end{align}\] Метод интервалов: \[\begin{align} & \left(-2x-3 \right)\left(2{{x}^{2}}+4x+5 \right)=0 \\ & -2x-3=0\Rightarrow x=-1,5; \\ & 2{{x}^{2}}+4x+5=0\Rightarrow D=16-40 \lt 0\Rightarrow \varnothing . \\\end{align}\] Всего один корень на числовой прямой: Ответ: $x\in \left[ -1,5;+\infty \right)$. Небольшое замечание насчёт последней задачи. Как точно подметил один мой ученик, оба подмодульных выражения в данном неравенстве заведомо положительны, поэтому знак модуля можно без ущерба для здоровья опустить. Но это уже совсем другой уровень размышлений и другой подход — его условно можно назвать методом следствий. О нём — в отдельном уроке. А сейчас перейдём к финальной части сегодняшнего урока и рассмотрим универсальный алгоритм, который работает всегда. Даже тогда, когда все предыдущие подходы оказались бессильны.:) А что, если все эти приёмы не помогут? Если неравенство не сводится неотрицательным хвостам, если уединить модуль не получается, если вообще боль-печаль-тоска? Тогда на сцену выходит «тяжёлая артиллерия» всей математики — метод перебора. Применительно к неравенствам с модулем выглядит он так: Ну как? Слабо? Легко! Только долго. Посмотрим на практике: Задача. Решите неравенство: \[\left| x+2 \right| \lt \left| x-1 \right|+x-\frac{3}{2}\] Решение. Эта хрень не сводится к неравенствам вида $\left| f \right| \lt g$, $\left| f \right| \gt g$ или $\left| f \right| \lt \left| g \right|$, поэтому действуем напролом. Выписываем подмодульные выражения, приравниваем их к нулю и находим корни: \[\begin{align} & x+2=0\Rightarrow x=-2; \\ & x-1=0\Rightarrow x=1. \\\end{align}\] Итого у нас два корня, которые разбивают числовую прямую на три участка, внутри которых каждый модуль раскрывается однозначно: Рассмотрим каждый участок отдельно. 1. Пусть $x \lt -2$. Тогда оба подмодульных выражения отрицательны, и исходное неравенство перепишется так: \[\begin{align} & -\left(x+2 \right) \lt -\left(x-1 \right)+x-1,5 \\ & -x-2 \lt -x+1+x-1,5 \\ & x \gt 1,5 \\\end{align}\] Получили довольно простое ограничение. Пересечём его с исходным предположением, что $x \lt -2$: \[\left\{ \begin{align} & x \lt -2 \\ & x \gt 1,5 \\\end{align} \right.\Rightarrow x\in \varnothing \] Очевидно, что переменная $x$ не может одновременно быть меньше −2, но больше 1,5. Решений на этом участке нет. 1.1. Отдельно рассмотрим пограничный случай: $x=-2$. Просто подставим это число в исходное неравенство и проверим: выполняется ли оно? \[\begin{align} & {{\left. \left| x+2 \right| \lt \left| x-1 \right|+x-1,5 \right|}_{x=-2}} \\ & 0 \lt \left| -3 \right|-2-1,5; \\ & 0 \lt 3-3,5; \\ & 0 \lt -0,5\Rightarrow \varnothing . \\\end{align}\] Очевидно, что цепочка вычислений привела нас к неверному неравенству. Следовательно, исходное неравенство тоже неверно, и $x=-2$ не входит в ответ. 2. Пусть теперь $-2 \lt x \lt 1$. Левый модуль уже раскроется с «плюсом», но правый — всё ещё с «минусом». Имеем: \[\begin{align} & x+2 \lt -\left(x-1 \right)+x-1,5 \\ & x+2 \lt -x+1+x-1,5 \\& x \lt -2,5 \\\end{align}\] Снова пересекаем с исходным требованием: \[\left\{ \begin{align} & x \lt -2,5 \\ & -2 \lt x \lt 1 \\\end{align} \right.\Rightarrow x\in \varnothing \] И снова пустое множество решений, поскольку нет таких чисел, которые одновременно меньше −2,5, но больше −2. 2.1. И вновь частный случай: $x=1$. Подставляем в исходное неравенство: \[\begin{align} & {{\left. \left| x+2 \right| \lt \left| x-1 \right|+x-1,5 \right|}_{x=1}} \\ & \left| 3 \right| \lt \left| 0 \right|+1-1,5; \\ & 3 \lt -0,5; \\ & 3 \lt -0,5\Rightarrow \varnothing . \\\end{align}\] Аналогично предыдущему «частному случаю», число $x=1$ явно не входит в ответ. 3. Последний кусок прямой: $x \gt 1$. Тут все модули раскрываются со знаком «плюс»: \[\begin{align} & x+2 \lt x-1+x-1,5 \\ & x+2 \lt x-1+x-1,5 \\ & x \gt 4,5 \\\end{align}\] И вновь пересекаем найденное множество с исходным ограничением: \[\left\{ \begin{align} & x \gt 4,5 \\ & x \gt 1 \\\end{align} \right.\Rightarrow x\in \left(4,5;+\infty \right)\] Ну наконец-то! Мы нашли интервал, который и будет ответом. Ответ: $x\in \left(4,5;+\infty \right)$ Напоследок — одно замечание, которое, возможно, убережёт вас от глупых ошибок при решении реальных задач: Решения неравенств с модулями обычно представляют собой сплошные множества на числовой прямой — интервалы и отрезки. Гораздо реже встречаются изолированные точки. И ещё реже случается так, что границ решения (конец отрезка) совпадает с границей рассматриваемого диапазона. Следовательно, если границы (те самые «частные случаи») не входят в ответ, то почти наверняка не войдут в ответ и области слева-справа от этих границ. И напротив: граница вошла в ответ — значит, и какие-то области вокруг неё тоже будут ответами. Помните об этом, когда проверяете свои решения.
а) Применим знания полученные выше.
$\sqrt{x^2+x-30}
Воспользуемся методом интервалов.
Решения всех трех неравенств системы пересекаются на отрезке $U(30;+∞)$.Неравенства с модулями
Неравенства, которые содержат переменную под знаком модуля, могут решаться разными методами. Мы рассмотрим три способа решения. Советую применять третий способ. Он может занимать немного больше времени, но зато гораздо больше шансов на правильное решение неравенства.
Решить неравенство: $|3x-6|>6$.
Первый способ.
$|3(x-2)|>6$; $|(x-2)|>2$.
Как мы помним, геометрически смысл модуля есть ни что иное, как расстояние между точка х и 2. Согласно нашему неравенству оно должно превышать 2. Тогда решением будет $(-∞;0)U(4;+∞)$.
Ответ: $хϵ(-∞;0)U(4;+∞)$.
Обе части нашего неравенства неотрицательны, тогда воспользовавшись теоремой 5 равносильности неравенств, мы можем возвести в квадрат обе части неравенства:
$(|3x-6|)^2>36$.
$9x^2-36x+36>36$.
$9x(x-4)>0$.
Ответ: $хϵ(-∞;0)U(4;+∞)$.
Третий способ.
В зависимости от знака выражения $3х-6$, мы можем раскрыть модуль двумя разными способами (с разными знаками). Тогда исходное неравенство сводится к совокупности двух систем неравенств:
Ответ: $хϵ(-∞;0)U(4;+∞)$.
Каждым способом мы получили одинаковый ответ, значит решение правильное. Каким способом пользоваться решать вам самим, но все-таки рекомендуется использовать - третий. Давайте рассмотрим еще один пример решения неравенств третьим способом.
Решить неравенство: $|x^2+x-12|>-x^2-4x$.
Модуль может раскрываться двумя способами:
1. Если $x^2+x-12≥0$, то $|x^2+x-12|=x^2+x-12$.
2. Если $x^2+x-12≤0$, то $|x^2+x-12|=-(x^2+x-12)$.
Для каждой системы построим интервалы решения:
$\begin {cases} (x+4)(x-3)≥0, \\ (2x-3)(x+4)>0 \end {cases}$.
$хϵ(-∞;-4)U$.
Осталось объединить два промежутка и записать ответ.
Ответ: $хϵ(-∞;-4)U(-4; +∞]$.Задачи для самостоятельного решения
1. Решить неравенства:
а) $\sqrt{x^2-3x-28}
2. Решить неравенства тремя способами: $|5x+9|
3. Решить неравенство: $|x^2+3x-10|>2x-x^2$.
Что уже нужно знать
Определение модуля
Графическое определение модуля
Решение неравенств. Метод интервалов
1. Неравенства вида «Модуль меньше функции»
Пересечение множеств
Опять же, поскольку мы решаем систему неравенств, нас интересует пересечение заштрихованных множеств: $x\in \left(-5;-2 \right)$. Это и есть ответ.2. Неравенства вида «Модуль больше функции»
Разница между пересечением и объединением множеств
Объединение множеств
Случай некрасивых корней
3. Неравенства с неотрицательными «хвостами»
Избавление от знака модуля
Ответ — целый интервал
4. Метод перебора вариантов
Разбиение числовой прямой нулями подмодульных функций
