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就参数而言,所有可能情况的距离尤为重要。同时,很难提前预测决策过程中会出现哪些案件。一方面,这使解决方案变得复杂,但另一方面,也使工作变得更有趣,赋予其研究性质。
一点理论
具有一个参数的方程的一般形式为:
F(x,a)=0. (3)
对于不同的a,方程(3)可以有不同的根集,我们的任务是研究所有情况,找出参数的任何值都会发生什么。当求解带有参数的方程时,您通常会考虑许多不同的选项。及时发现至少一些不可能的选择非常重要,因为它使我们免于不必要的工作。因此,在求解方程(3)时,建议通过OD来理解未知数和参数的允许取值范围,即定义两个变量F(x,a)的函数(有意义)的所有数对(x,a)的集合。因此,ODZ 的自然几何图示以 xOa 平面的某个区域的形式出现。
例如,ODZ 方程
x+a=1−(x+a) (4)
由不平等制度决定
x≥0,a≥0,x+a≤1.
该系统满足三角形所有点(包括其边界)的坐标,由蓝色和蓝色 *) 包围 图 1。顺便说一句,从这些考虑出发,可以立即得出对于 a<0 方程(4)没有解。
让我们求解方程(4)。将其两部分平方后(由于方程(4)两边的非负性,在这种情况下是等价变换),我们得到方程
2ax=1−2(x+a). (5)
我们上面已经说过,放弃至少部分不可能的选择可以让我们摆脱不必要的工作。我们注意到,方程(5)左边对于所有允许的a,x都是非负的,这意味着当方程右边为负时,寻找解是没有用的。显然,应在 ODZ 可以存在的部分寻求解决方案,为此目的适当缩小 ODZ:
1−2(x+a)≥0, откуда x+a≤21.
在 图 1 处,ODZ 中不能有解的部分被涂上移除的颜色。
将式(5)**)两边同时平方并带入相似项,可得方程
x2+(a−1)x+a2−a+41=0,
*) 有关具有两个未知数的不等式组的几何解的更多信息,请参阅 1970 年的«Kvant» No. 4。
**) 在新的 ODZ 中,方程 (5) 两边都是非负的。在这种情况下,平方不会导致构建根的出现。
21
在哪里
x1,2=21−a±2a−3a2.
两者都找到了参数 a 所有允许值的根(即,对于满足不等式 0≤a≤21 - 参见 图 1 的所有a)都是实数。事实上,0≤a≤32的判别式D=2a−3a2≥0;这意味着,D≥0 和 0≤a≤21 更是如此。
现在我们需要找出找到的值是否满足条件x≥0,x+a≤21。
让我们首先检查条件x+a≤21是否满足。我们有
x1+a=21−a−2a−3a2+a=21+a−2a−3a2.
解决不平等问题
21+a−2a−3a2≤21,
我们得到0≤a≤21。这意味着参数 a 的所有允许值都为 x1+a≤21。
下一个,
x2+a=21−a+2a−3a2+a=21+a+2a−3a2.
不等式
21+a+2a−3a2≤21
仅在a=0执行。但对于a=0,我们有D=0和x1=x2=21。
两个找到的根的非负性的证明留给读者。
答案:如果0≤a≤21,则x=21−a−2a−3a2;
如果a<0或a>21,则无解。
请注意,在求解所考虑的方程时,ODZ 的干燥是有用的。自然而然地出现了一个问题:什么时候应该做出这样的澄清?
如果我们进行一个变换,得到一个与前一个方程等价的方程,那么在 ODZ 的情况下,当然就不需要了。否则它是有用的。例如,当对方程的两个部分进行平方(或任何偶次方)时,就会出现这种情况,这就是我们在所考虑的示例中遇到的情况。
一些例子
示例 1*)。解方程
aa+x+xa+x=x.
解决方案。 ODZ 由方程 x>0、a+x≥0、a=0 确定(顺便说一句,从这里开始,方程在 a=0 处无解)。让我们将方程转换为形式
(a+x)3/2=ax3/2.
让我们干燥 ODZ:从最后一个方程的非负部分和方程 x>0、a=0 可以得出 a>0。
接下来我们得到:a+x=a2/3x,从x(a2/3−1)=a。
对于a=1,有非常/没有解决方案。若a=1,则
x=a2/3−1a.
我们来看看,经过大家的考虑,
*) 《初等数学问题集》第 206 期。作者:N.P.安东诺夫,M.Ya。维戈斯基、V.V.尼基丁、A.I.桑金。在给定的问题中,示例已解决/herno。
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running_head:
folio:
给定参数a(a>0,a=1)的值,满足条件x>0(从中显然可以得出满足第二个条件a+x≥0)。
不等式a2/3−1a>0仅适用于a>1(考虑到a>0)。因此,并非对于 a 的所有允许值,找到的根都适合。
答案:如果a>1,则x=a2/3−1a;如果a≤1,则无解。
示例 2:求解方程
log9x+log922−x=log9log9p.
解决方案。 ODZ 由不等式 0<x<2、p>1 确定(在 图 2 处,该区域为深红色)。求解方程,我们一致得到
2x(2−x)=log9p,
x2−2x+2log9p=0,
x1,2=1±1−2log9p.
p≤3 满足条件1−2log9p≥0,考虑到 ODZ,得出1<p≤3。有了这样的p,根将是实数。在p>1,满足不等式log9p>0,然后满足1−2log9p<1。由此可见,对于1<p≤3,不等式0<x1,2<2成立。
答案:如果1<p≤3,则x1,2=1±1−2log9p;对于剩余的p,没有解决方案。
评论。从方程(6)我们得到p=92x(2−x)。该函数的图形绘制在 图 2 上,清楚地表明条件 0<x<2 在 1<p≤3 得到满足。
示例 3:求解方程
acosx+1a+sinx=asinx+1a+cosx.
解决方案。我们首先考虑a=0的情况。给定方程的形式为 sinx=cosx,因此为 x=4π+πn (n=0,±1,…)。
现在让a=0。然后 ODZ 由以下方程确定
cosx=−a1;sinx=−a1.
让我们将给定的方程转换为 (sinx−cosx)[a2+a(sinx+cosx)+1]=0 的形式。最后一个属性方程是以下方程组:
a2+a(sinx+cosx)+1=0,
sinx−cosx=0.
求解集合(7)的第一个方程,我们得到:
a2sin(x+4π)=−a2−1
及以后
sin(x+4π)=−a2a2+1.
最后一个方程无解,因为对于任意 a=0 都有 −a2a2+1>1。事实上,假设 ∣a∣2a2+1≤1;改变这种不平等,我们得到
a2+1≤∣a∣2,(a2+1)2≤2a2,
a4+1≤0.
最后一个不等式是不正确的。
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第二个总体方程 (7) 的解是值 x=4π+πk (k=0,±1,…)。仍然需要检查对于 a=0 的所有值,x 的找到值是否可接受。
如果k=2n,则必须满足sinx=cosx=22和条件22=−a1,即a=−2。
如果k=2n+1,则sinx=cosx=−22。
从条件−22=−a1我们得到:a=2。
结合所有结果,写出
答案:如果a=±2,则x=4π+πk;
如果a=2,则x=4π+2πn;
如果a=−2,则x=4π+π(2n+1)(k,n=0,±1,±2;…)。
示例 4. 求解方程 log22cosx−2alog2cosx=a2−8。
(8)
解决方案。代入y=log2cosx,我们将给定方程转化为二次方程y2−2ay−(a2−8)=0,
从哪里y1,2=a±2(a2−4)。
现在我们需要求解一组对数方程
log2cosx=a+2(a2−4).(9)
log2cosx=a−2(a2−4).(10)
我们注意到,对于 a2−4<0,方程 (9) 和 (10) 的右侧没有意义。这意味着,对于 −2<a<2,两个方程都没有解。考虑a2−4≥0的情况,这对于a≥2或a≤−2都是可能的。
让我们从a≥2开始。既然cosx≤1和2>1,那么log2cosx≤0。
这意味着方程(9)和(10)仅对方程右侧为非正的参数a的值有解。容易看出,对于a≥2,式(9)右边为正,因此式(9)无解。
让我们找出当参数a取什么值时,等式(10)的右边将为非正数。求解不等式a−2(a2−4)≤0(考虑条件a≥2),我们得到a≥8。因此,如果2≤a<8,则方程(10)无解(并且由于方程(9)也无解,因此我们由此得出方程(8)在这种情况下也无解)。
若a≥8,则由式(10)可得
x=±arccos(2)a−2(a2−8)+2πn.(11)
现在让我们考虑a≤−2的情况。对于这些参数值,式(10)右边是不同的,即该式有解(上面已经用式(11)写出了)。让我们找出当参数a取什么值时,等式(9)的右边将为非正数。求解不等式a+2(a2−4)≤0(考虑条件a≤−2),我们得到a≥−8。因此,若a<−8,则式(9)无解,若−8≤a≤−2,则式(9)有解,即:
x=±arccos(2)a+2(a2−8)+2πn.
结合所有获得的结果,我们写下
答案:如果−2<a<8,则无解;
如果 a≥8 或 a<−8 那么
x=±arccos(2)a−2(a2−8)+2πn;
如果−8≤a≤−2,那么
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图 3.
x=±arccos(2)a±2a2−8+2πn.
几何有助于代数
当求解带有参数的方程时,各种几何考虑因素可能对尺度有用。例如,考虑方程
x(2a−x)=1−x при a>0.
方程的哪个解可以解释为直线y=1−x与半圆交点的横坐标
y=x(2a−x), или
(x−a)2+y2=a2; у≥0
半径 a,以点 (a,0) (图 3) 为中心。半圆的位置及其半径随着参数a的变化而变化。在 图 3 上,可以清楚地看到,对于 a 的某些值,半圆不与线 y=1−x 相交(半圆位于线下方),对于其他值 a,半圆与线相交于两点(半圆位于中间头部区域),对于第三个值 a,半圆与线相交于一点(半圆位于红色区域或上方),对于 a 的某些值,半圆接触线(分隔头部和棕色区域的半圆)。
让我们考虑半圆接触直线y=1−x的情况。从几何角度考虑,该半圆的圆心距直线y=1−x与横坐标轴的交点的距离等于a2。因此a+a2=1,即相切的情况发生在a=2−1。这意味着在a<2−1处方程没有解(蓝色区域),但在a=2−1处它有一个唯一解,这是从几何考虑中找到的:x=a+2a2(参见图3),从中我们得到x=22。
在图3处经过点(1,0)的半圆对应于参数a=21的值。这意味着对于 2−1<a⩽21 方程有两个解:
x1=2a+1−a2+2a−1,
x2=2a+1+a2+2a−1
(使用给定方程的代数解找到根)。最后,如果a⩾21,则方程有唯一解x=x1(自x1<x2)。
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答案:如果a<2−1,则无解;
如果a=2−1,则x=22;
如果2−1<a≤21,
然后x1,2=2a+1±a2+2a−1。
如果
a>21,然后x=2a+1−a2+2a−1。
尝试自己结合相应的研究来求解所提出的代数方程,你会发现这种情况下的几何推理既更清晰又更美观。
任务
我们研究了用一个参数求解方程的许多示例。你们中的一些人更喜欢它们,另一些人则不太喜欢它们,但有一点是肯定的:如果您手里拿着铅笔仔细检查这些例子(正如我们杂志的编辑集第 1 部分所建议的那样),那么您已经接受了蠕变的定义。想确定这一点吗?使用参数 a 自行求解以下方程:
- a2−2x−x2a2−1=x−2x+2.
- x+a=a−x.
- x−2a−x−a=2.
- x+x2−x=a.
- sin(a+x)+sinx=cos2a.
- sin2x+4sinx+a=0.
- sinx+2cosax=3.
- logxaloga22a−xa2−4=1.
- logx2logx(2a−x)+loga2logax=loga2−11.
- log21(2sinx)+alog21sinx+3=0.
4 量子9号