Равносильные переходы при решении неравенств

Порешать задания по теме: Неравенства

Что значит равносильность

Два неравенства называют равносильными, если множества их решений совпадают.

 

Знак: \(\Longleftrightarrow\) используют только тогда, когда прямой и обратный переходы верны.

 

Например: \(x>2 \Longleftrightarrow x-2>0.\)

 

Если переход верен только в одну сторону, используют: \(\Longrightarrow.\)

 

В неравенствах особенно важно следить за знаком множителя и за тем, возрастает или убывает функция, применяемая к обеим частям.

 

 

ОДЗ

Как и в уравнениях, все преобразования выполняются только там, где исходные выражения определены.

 

Основные ограничения:


\(\text{знаменатель}\neq0,\)
\(\text{подкоренное выражение чётного корня}\geqslant0,\)
\(\text{аргумент логарифма}>0.\)

 

ОДЗ не исчезает после сокращения или других преобразований.

 

 

Прибавление одного выражения

К обеим частям неравенства можно прибавить одно и то же выражение:


\(A<B
\Longleftrightarrow
A+C<B+C,\) если все выражения определены.

 

Например: \(x+5<8
\Longleftrightarrow
x<3.\)

 

 

Умножение и деление на число

Если: \(k>0,\) то: \(A<B
\Longleftrightarrow
kA<kB.\)

 

Если: \(k<0,\) то знак меняется: \(A<B
\Longleftrightarrow
kA>kB.\)

 

Например: \(-2x+5\geqslant9
\Longleftrightarrow
-2x\geqslant4
\Longleftrightarrow
x\leqslant-2.\)

 

 

Множитель переменного знака

Нельзя умножать или делить неравенство на выражение \(C(x)\), если его знак неизвестен.

 

Например, из: \(\dfrac{x+1}{x-2}>0\) нельзя просто получить: \(x+1>0\) умножением на \(x-2\).

 

Причина: при: \(x>2\) множитель \(x-2\) положителен, а при: \(x<2\) отрицателен, поэтому знак неравенства изменялся бы по-разному.

 

В таких ситуациях обычно удобнее привести неравенство к виду: \(\dfrac{P(x)}{Q(x)}>0\) или \(\dfrac{P(x)}{Q(x)}<0\) и применить метод интервалов.

 

 

Возрастающие и убывающие функции

Если функция \(f\) возрастает на рассматриваемой области:

 

\(A<B
\Longleftrightarrow
f(A)<f(B).\)

 

Если функция \(f\) убывает:


\(A<B
\Longleftrightarrow
f(A)>f(B).\)

 

Именно этим объясняются переходы в показательных и логарифмических неравенствах.

 

 

Показательные неравенства

Если: \(a>1,\) то функция \(a^x\) возрастает:


\(\boxed{
a^A<a^B
\Longleftrightarrow
A<B.
}\)

 

Если: \(0<a<1,\) то функция \(a^x\) убывает:


\(\boxed{
a^A<a^B
\Longleftrightarrow
A>B.
}\)

 

Для нестрогих знаков правило аналогично.

 

Пример 1

Решим: \(2^{x-1}\leqslant2^{3-x}.\)

 

Так как: \(2>1,\) показательная функция возрастает: \(x-1\leqslant3-x.\)

 

Отсюда: \(2x\leqslant4,\)


\(\boxed{x\leqslant2}.\)

 

 

Логарифмические неравенства

При положительных аргументах и: \(a>1\) логарифмическая функция возрастает:


\(\boxed{
\log_a A<\log_a B
\Longleftrightarrow
A<B.
}\)

 

Если: \(0<a<1,\) логарифмическая функция убывает:


\(\boxed{
\log_a A<\log_a B
\Longleftrightarrow
A>B.
}\)

 

ОДЗ: \(A>0,\) \(B>0\) обязательно сохраняется.

 

Пример 2

Решим: \(\log_{1/2}(x+1)>\log_{1/2}(3-x).\)

 

ОДЗ: \(x+1>0,\) \(3-x>0,\) то есть: \(-1<x<3.\)

 

Так как: \(0<\dfrac12<1,\) логарифмическая функция убывает, поэтому знак меняется: \(x+1<3-x.\)

 

Получаем: \(x<1.\)

 

С учётом ОДЗ: \(\boxed{x\in(-1;1)}.\)

 

 

Возведение неравенства в квадрат

Переход: \(A<B
\Longrightarrow
A^2<B^2\)
в общем случае неверен.

 

Например: \(-3<2,\) но: \(9<4\) неверно.

 

Если обе части неотрицательны: \(A\geqslant0,\) \(B\geqslant0,\) то:


\(\boxed{
A<B
\Longleftrightarrow
A^2<B^2.
}\)

 

Для нестрогого знака:


\(A\leqslant B
\Longleftrightarrow
A^2\leqslant B^2\) при тех же условиях.

 

 

Неравенства с квадратным корнем

Корень чётной степени всегда неотрицателен. Поэтому знак второй части нужно проверять до возведения в квадрат.

 

Для: \(\sqrt A<B\) необходимо: \(B>0.\)

 

После этого:


\(\sqrt A<B
\Longleftrightarrow
A<B^2.\)

 

При: \(B\leqslant0\) строгое неравенство решений не имеет.

 

Для неравенств вида: \(\sqrt A\geqslant B\) нужно учитывать два случая:

 

1.  Если: \(B\leqslant0,\) неравенство выполняется для всех значений из ОДЗ;

 

2. Если: \(B>0,\) можно равносильно возвести обе части в квадрат.

 

Пример 3

Решим: \(\sqrt{x+1}<x.\)

 

Левая часть неотрицательна, поэтому: \(x>0.\)

 

Теперь обе части положительны: \(x+1<x^2.\)

 

Получаем: \(x^2-x-1>0.\)

 

Корни: \(x_1=\dfrac{1-\sqrt5}{2},\) \(x_2=\dfrac{1+\sqrt5}{2}.\)

 

С учётом \(x>0\): \(\boxed{
x>\dfrac{1+\sqrt5}{2}
}.\)

 

 

Пример 4

Решим: \(\sqrt{3-x}\geqslant x-1.\)

 

ОДЗ: \(x\leqslant3.\)

 

Если: \(x-1\leqslant0,\) то есть: \(x\leqslant1,\) неравенство выполняется автоматически.

 

Если: \(x>1,\) можно возвести обе части в квадрат: \(3-x\geqslant(x-1)^2.\)

 

Получаем: \(x^2-x-2\leqslant0,\) \(-1\leqslant x\leqslant2.\)

 

С учётом \(x>1\): \(1<x\leqslant2.\)

 

Объединяя случаи: \(\boxed{x\leqslant2}.\)

 

 

Обращение обеих частей

Функция: \(y=\dfrac1x\) убывает отдельно на промежутках: \((-\infty;0)\) и \((0;+\infty).\)

 

Если: \(A>0,\) \(B>0,\) то:


\(A<B
\Longleftrightarrow
\dfrac1A>\dfrac1B.\)

 

Если: \(A<0,\) \(B<0,\) направление также меняется:


\(A<B
\Longleftrightarrow
\dfrac1A>\dfrac1B.\)

 

Если знаки неизвестны или различны, механически обращать обе части нельзя.

 

Пример 5

Решим: \(\dfrac1{x-1}<\dfrac1{x+1}.\)

 

ОДЗ: \(x\neq-1,\) \(x\neq1.\)

 

Знаки знаменателей заранее неизвестны, поэтому переносим всё в одну часть: \(\dfrac1{x-1}-\dfrac1{x+1}<0.\)

 

Получаем: \(\dfrac{2}{(x-1)(x+1)}<0.\)

 

Числитель положителен, поэтому: \((x-1)(x+1)<0.\)

 

Отсюда: \(\boxed{x\in(-1;1)}.\)

 

 

Модуль в неравенствах

Для: \(|A|<b\) необходимо: \(b>0.\)

 

Тогда:


\(\boxed{
|A|<b
\Longleftrightarrow
-b<A<b.
}\)

 

Для: \(|A|\leqslant b\) при \(b\geqslant0\):


\(\boxed{
|A|\leqslant b
\Longleftrightarrow
-b\leqslant A\leqslant b.
}\)

 

Для: \(|A|>b\) при \(b\geqslant0\):


\(\boxed{
|A|>b
\Longleftrightarrow
\left[
\begin{array}{l}
A>b,\\
A<-b.
\end{array}
\right.
}\)

 

 

Система и совокупность

Система:


\(\left\{
\begin{array}{l}
P\\
Q
\end{array}
\right.\) означает, что выполняются оба условия одновременно.

 

Совокупность:


\(\left[
\begin{array}{l}
P\\
Q
\end{array}
\right.\) означает, что достаточно хотя бы одного условия.

 

Например: \(|x|<3 \Longleftrightarrow
\left\{
\begin{array}{l}
x<3,\\
x>-3,
\end{array}
\right.\)

 

то есть: \(-3<x<3.\)

 

А: \(|x|>3 \Longleftrightarrow
\left[
\begin{array}{l}
x>3,\\
x<-3.
\end{array}
\right.\)

 

 

Краткая памятка

\(\begin{array}{c|c|c}
\text{Переход}&\text{Когда равносилен}&\begin{array}{c}\text{Что происходит со знаком}\end{array}\\
\hline
A<B\Longleftrightarrow A+C<B+C&\text{если выражения определены}&\text{знак сохраняется}\\
A<B\Longleftrightarrow kA<kB&k>0&\text{знак сохраняется}\\
A<B\Longleftrightarrow kA>kB&k<0&\text{знак меняется}\\
A<B\Longleftrightarrow A^2<B^2&A\geqslant0,\;B\geqslant0&\text{знак сохраняется}\\
a^A<a^B\Longleftrightarrow A<B&a>1&\text{знак сохраняется}\\
a^A<a^B\Longleftrightarrow A>B&0<a<1&\text{знак меняется}\\
\log_aA<\log_aB\Longleftrightarrow A<B&a>1,\;A>0,\;B>0&\text{знак сохраняется}\\
\log_aA<\log_aB\Longleftrightarrow A>B&0<a<1,\;A>0,\;B>0&\text{знак меняется}\\
A<B\Longleftrightarrow \dfrac1A>\dfrac1B&\begin{array}{c}A,B>0\text{ или } A,B<0\end{array}&\text{знак меняется}
\end{array}\)

 

 

Типичные ошибки

• делить или умножать на выражение неизвестного знака;


• забывать менять знак при умножении или делении на отрицательное число;


• возводить неравенство в квадрат без проверки знаков частей;


• забывать ОДЗ корней, дробей и логарифмов;


• при основании логарифма или показательной функции меньше единицы не менять направление неравенства;


• механически обращать обе части без анализа знаков;


• путать систему и совокупность.

 

 

Задачи для самостоятельной работы

1. Для каждой пары укажите \(\Longleftrightarrow\) или \(\Longrightarrow\) в указанном направлении:


\(\text{а) }x>1\ \ldots\ (x-1)^2>0;\)


\(\text{б) }x>0\ \ldots\ \dfrac1x>0;\)


\(\text{в) }A<B,\ k>0\ \ldots\ kA<kB;\)


\(\text{г) }\log_{1/2}A>\log_{1/2}B\ \ldots\ A<B,\) \(A>0,\ B>0.\)

 

Решите неравенства 2–12.

 

2. \(-2x+5\geqslant9\).


3. \((x-2)(x+1)>0\).


4. \(x^2\leqslant9\).


5. \(\sqrt{x+1}<x\).


6. \(\sqrt{3-x}\geqslant x-1\).


7. \(\dfrac1{x-1}>0\).


8. \(\dfrac1{x-1}<\dfrac1{x+1}\).


9. \(x-1<\dfrac1{x-1}\).


10. \(|x-2|\leqslant x+1\).


11. \(\log_{1/2}(x+1)>\log_{1/2}(3-x)\).


12. \(2^{x-1}\leqslant2^{3-x}\).

 

 

 

Ответы

1. а) \(\Longrightarrow\); 

б) \(\Longleftrightarrow\);
в) \(\Longleftrightarrow\); 

г) \(\Longleftrightarrow\).
2. \(x\leqslant-2\).
3. \(x\in(-\infty;-1)\cup(2;+\infty)\).
4. \(x\in[-3;3]\).
5. \(x>\dfrac{1+\sqrt5}{2}\).
6. \(x\leqslant2\).
7. \(x>1\).
8. \(x\in(-1;1)\).
9. \(x\in(-\infty;0)\cup(1;2)\).
10. \(x\in\left[\dfrac12;+\infty\right)\).
11. \(x\in(-1;1)\).
12. \(x\leqslant2\).