Квант

59

Решения нестрогих неравенств

И. Г. ГАБОВИЧ, П. И. ГОРНШТЕЙН

В этой статье пойдет речь о решении нестрого неравенства f(x)≥0f(x) \geq 0 или, вернее, о том, насоклько это решение отличается от решения соответствующего нестрого неравенства f(x)>0f(x) > 0.

С наиболее точки зрения дело обстоит просто: решением неравенства f(x)>0f(x) > 0 служит объединение нескольких конечных или бесконечных интервалов*, а чтобы получить решение неравенства f(x)≥0f(x) \geq 0, нужно к этим интервалам добавить их концы.

В некоторых случаях это правило дает верный результат. Например, так будет в случае линейных неравенств:

*) Строго говора, это верно, если f(x)f(x) — непрерывная функция, определенная на всех прямой или на некотором объединении интервалов.

решением нестрого неравенства
ax+b>0ax + b > 0

случит множество (−b/a;∞)(-b/a; \infty), а решением нестрого неравенства
ax+b≥0ax + b \geq 0

— множество [−b/a;∞)[ -b/a; \infty), получающее из предыдущего множество присоединением конца интервала −b/a-b/a. Но уже в случае квадратных неравенств наше правило приобретает изъян. Простейший пример: решением неравенства
−x2>0-x^2 > 0

случит пустое множество, а решением неравенства
−x2≥0-x^2 \geq 0

— не пустое множество, как можно было бы подумать, а множество, состоящее из одной точки x=0x = 0. В прочеем, это было только в том случае, если дискриминант квадратного трехчлена влевой части неравенства равен нулю; например, если квадратный трехчлен ax2+bx+cax^2 + bx + c имеет два раз-

60

Личных корня x1x_1 и x2x_2 (x1<x2x_1 < x_2) и a>0a > 0, то решением неравенства
ax2+bx+c>0ax^2 + bx + c > 0
случит обедининие (−∞;x1)∪(x2;∞)(-\infty; x_1) \cup (x_2; \infty), а решением неравенства
ax2+bx+c≥0ax^2 + bx + c \geq 0
— обедининие (−∞;x1]∪[x2;∞)(-\infty; x_1] \cup [x_2; \infty).

В чем же тут дело? Если в точках графика функции y=f(x)y = f(x), лежащих на оси OxOx, функции f(x)f(x) меняет знак, т. е. ее график переходит с одной стороны оси OxOx на другую, то сформулированное выше «правило» верно; например, для функции f(x)f(x), график которого изобразен на рисунке 1, решением неравенства f(x)>0f(x) > 0 служит обедининие (a;b)∪(c;d)(a; b) \cup (c; d), а решением неравенства f(x)≥0f(x) \geq 0 — обедининие [a,b]∪[c,d][a, b] \cup [c, d]. Для функции же, график которого изобразен на рисунке 2, неравенство f(x)>0f(x) > 0 имеет решение (a,b)(a, b), а неравенство f(x)≥0f(x) \geq 0 — решение [a,b]∪{c}[a, b] \cup \{c\}! Еще пример: функции y=f(x)y = f(x) определяна при x≥ax \geq a и имеет график, показанный на рисунке 3. Тогда неравенство f(x)>0f(x) > 0 имеет решение (b,c)(b, c), а неравенство f(x)≥0f(x) \geq 0 — решение {a}∪[b,c]\{a\} \cup [b, c]!

Если AA — обедининие интервалов, то множество, получающей из AA присоединением концов интервалов множества AA, называется замыканем множества AA и обозначается через Aˉ\bar{A}. Сказанному выше можно придать такую форму: если AA есть решение неравенства f(x)>0f(x) > 0, а BB — решение неравенства f(x)≥0f(x) \geq 0, то BB содержит Aˉ\bar{A}, но может с ним не совпадать.

Как же правило решить естеrome неравенство f(x)≥0f(x) \geq 0, зная решение строго неравенства f(x)>0f(x) > 0?

Очень просто: нужно присоединить к решению строго неравенства f(x)>0f(x) > 0 все решения уравнения f(x)=0f(x) = 0.

К этому оченьному замечанию мы добавим еще одно оченьное замечание, которое может оказаться полезным на практике: решением неравенства f(x)g(x)≥0f(x)g(x) \geq 0 служит обедининие решений системы неравенств
{f(x)≥0,g(x)≥0;\begin{cases} f(x) \geq 0, \\ g(x) \geq 0; \end{cases}

(Aналогично — для неравенства f(x)g(x)≤0f(x)g(x) \leq 0.) Тепер рассмотрим несколько примеров (некоторые из них взяты из конкурсных экзаменов разных лет).

Пример 1. Решить неравенство
−25x2+15x−2(8x2−6x+1)≥0.\sqrt{-25x^2+15x-2}(8x^2-6x+1) \geq 0.

Решим четыре неравенства:
−25x2+15x−2≥0;\sqrt{-25x^2+15x-2} \geq 0;
решение: 15≤x≤25\frac{1}{5} \leq x \leq \frac{2}{5}.
−25x2+15x−2≤0;\sqrt{-25x^2+15x-2} \leq 0;
решение: x=15x = \frac{1}{5} и x=25x = \frac{2}{5}.
8x2−6x+1≥0;8x^2-6x+1 \geq 0;
решение: x≤14x \leq \frac{1}{4} и x≥12x \geq \frac{1}{2}.
8x2−6x+1≤0;8x^2-6x+1 \leq 0;
решение: 14≤x≤12\frac{1}{4} \leq x \leq \frac{1}{2}.

Обозначив четыре найденных множества соответствующего через A,B,C,DA, B, C, D, мы можем сказать, что решением исходного неравенства служит множество (A∩C)∪(B∩D)(A \cap C) \cup (B \cap D). Произведя указанные действия, получаем

Ответ: [15;14]∪{25}.\left[ \frac{1}{5}; \frac{1}{4} \right] \cup \left\{ \frac{2}{5} \right\}.

Пример 2. Решить неравенство
x2−7,5x+14log⁡2∣x−3∣≤0.\sqrt{x^2-7,5x+14}\log_2|x-3| \leq 0.

(Окончание см. на c. 66)