Найдите все значения параметра \(a\), при каждом из которых уравнение
\[\left(7x + |x + a| - |6x|\right)^2 +\]
\[+\ (a+1)\left(7x + |x + a| - |6x|\right) -\]
\[-\ a - 1 = 0\]
имеет ровно два различных решения.
Идея решения
Одно выражение повторяется дважды — делаем замену. Потом раскрываем модули и смотрим, сколько \(x\) даёт одно значение новой переменной. Вид графика зависит от знака \(a\), поэтому будет два случая.
Шаг 1. Замена
Пусть
\[t = 7x + |x + a| - |6x|.\]
Уравнение принимает вид
\[t^2 + (a+1)t - (a+1) = 0.\]
Обозначим левую часть \(f(t)\). Её дискриминант
\[D = (a+1)^2 + 4(a+1),\]
\[D = (a+1)(a+5).\]
Шаг 2. Случай \(a \geqslant 0\)
Модули меняют знак в точках \(x = -a\) и \(x = 0\). При \(a \geqslant 0\) точка \(-a\) не правее нуля.
При \(x \leqslant -a\): \(|x + a| = -x - a\), \(|6x| = -6x\), и
\[t = 7x - x - a + 6x = 12x - a.\]
При \(-a \leqslant x \leqslant 0\): \(|x + a| = x + a\), \(|6x| = -6x\), и
\[t = 7x + x + a + 6x = 14x + a.\]
При \(x \geqslant 0\): \(|x + a| = x + a\), \(|6x| = 6x\), и
\[t = 7x + x + a - 6x = 2x + a.\]
(При \(a = 0\) средний участок сжимается в точку, остальное не меняется.)
У всех трёх участков угловой коэффициент положительный (\(12\), \(14\), \(2\)), и они стыкуются без разрывов. Значит, \(t\) строго возрастает на всей прямой и принимает каждое значение ровно один раз: каждое \(t\) даёт ровно одно \(x\).
Поэтому два решения будут, когда у \(f(t)\) два различных корня:
\[(a+1)(a+5) > 0.\]
При \(a \geqslant 0\) обе скобки положительны, неравенство верно. Все \(a \geqslant 0\) подходят.
Шаг 3. Случай \(a < 0\): раскрываем модули
Теперь \(-a > 0\), и нуль левее точки \(-a\).
При \(x \leqslant 0\): \(|x + a| = -x - a\), \(|6x| = -6x\), и
\[t = 7x - x - a + 6x = 12x - a.\]
При \(0 \leqslant x \leqslant -a\): \(|x + a| = -x - a\), \(|6x| = 6x\), и
\[t = 7x - x - a - 6x = -a.\]
При \(x \geqslant -a\): \(|x + a| = x + a\), \(|6x| = 6x\), и
\[t = 7x + x + a - 6x = 2x + a.\]
Появилась горизонтальная «полочка» \(t = -a\) на отрезке \([0;\ -a]\). Слева от неё \(t\) возрастает от \(-\infty\) до \(-a\), справа — от \(-a\) до \(+\infty\). Поэтому:
при \(t \ne -a\) — ровно одно значение \(x\);
при \(t = -a\) — бесконечно много \(x\).
Важно! Вид графика зависит от знака \(a\), потому что от него зависит, какая из точек \(-a\) и \(0\) левее. Рассмотреть только один случай — значит потерять часть ответа.
Шаг 4. Случай \(a < 0\): условия
Нужно, чтобы \(f(t)\) имел два различных корня и ни один из них не был равен \(-a\).
Два различных корня:
\[(a+1)(a+5) > 0,\]
\[a < -5\ \text{ или }\ a > -1.\]
Корень не равен \(-a\). Подставим \(t = -a\):
\[f(-a) = a^2 - (a+1)a - a - 1,\]
\[f(-a) = -2a - 1.\]
Условие \(f(-a) \ne 0\) даёт
\[a \ne -\frac12.\]
Вместе с \(a < 0\):
\[a \in (-\infty;\ -5) \cup \left(-1;\ -\frac12\right) \cup\]
\[\cup \left(-\frac12;\ 0\right).\]
Важно! При \(a = -\frac12\) уравнение \(t^2 + \frac12 t - \frac12 = 0\) имеет корни \(\frac12\) и \(-1\). Корень \(t = \frac12 = -a\) попадает на полочку и даёт бесконечно много решений. Если забыть это условие, ответ будет неверным.
Шаг 5. Ответ
Объединяем случаи \(a \geqslant 0\) и \(a < 0\):
\[a \in (-\infty;\ -5) \cup \left(-1;\ -\frac12\right) \cup\]
\[\cup \left(-\frac12;\ +\infty\right).\]
Ответ: \(a \in (-\infty;\ -5) \cup \left(-1;\ -\frac12\right) \cup \left(-\frac12;\ +\infty\right)\)