Уравнения и неравенства · 11 класс · урок 2 из 5 · Никольский, «Алгебра и начала анализа 11», гл. II § 7–13, § 9

Равносильность системам

Выход к заданиям: ЕГЭ №14, ЕГЭ №16, ЕГЭ №19

Сначала нужно знать
Равносильные уравнения и уравнения-следствия
Зачем этот урок
ЕГЭ №14 и №16: запись решения через системы и совокупности без проверки
Дальше
Равносильность на множествах
Равносильность уравнений и неравенств · урок 2
Равносильность системам
Системы и совокупности вместо проверки корней
Системы и совокупности
  • Система — несколько уравнений и неравенств, которым xx должен удовлетворять одновременно; пишется с фигурной скобкой {\{. Решить систему — найти все её решения или показать, что их нет.
  • Уравнение равносильно системе, если множества их решений совпадают: log⁡2(3x−1)≤1  ⟺  {3x−1>0,3x−1≤2.\log_2(3x - 1) \le 1 \iff \begin{cases} 3x - 1 > 0,\\ 3x - 1 \le 2.\end{cases}
  • Совокупность — достаточно выполнения хотя бы одного условия (квадратная скобка [[): решения — объединение. ∣x∣>2  ⟺  [x>2,x<−2.|x| > 2 \iff \left[\begin{array}{l} x > 2,\\ x < -2.\end{array}\right.
  • ∣x+1∣=2x−3  ⟺  [{x+1≥0,x+1=2x−3,{x+1<0,−x−1=2x−3.|x + 1| = 2x - 3 \iff \left[\begin{array}{l}\begin{cases} x + 1 \ge 0,\\ x + 1 = 2x - 3,\end{cases}\\ \begin{cases} x + 1 < 0,\\ -x - 1 = 2x - 3.\end{cases}\end{array}\right.
Уравнения, равносильные системам
f2m=g  ⟺  {f=g2m,g≥0;log⁡af=log⁡ag  ⟺  {f=g,g>0;fg=0  ⟺  {f=0,g≠0.\sqrt[2m]{f} = g \iff \begin{cases} f = g^{2m},\\ g \ge 0;\end{cases} \qquad \log_a f = \log_a g \iff \begin{cases} f = g,\\ g > 0;\end{cases} \qquad \frac fg = 0 \iff \begin{cases} f = 0,\\ g \ne 0.\end{cases}
  • 1) Условие f≥0f \ge 0 в первой системе писать не нужно: f=g2m≥0f = g^{2m} \ge 0 автоматически.
  • 2) f2m=g2m  ⟺  f=g, g≥0\sqrt[2m]{f} = \sqrt[2m]{g} \iff f = g,\ g \ge 0. 3) В логарифмической системе достаточно положительности одной части.
  • 4) f+φ−φ=0  ⟺  f=0, x∈D(φ)f + \varphi - \varphi = 0 \iff f = 0,\ x \in D(\varphi) — область существования φ\varphi.
  • 5) f1⋅f2=0f_1\cdot f_2 = 0 ⇔ совокупность: {f1=0,x∈D(f2)\begin{cases} f_1 = 0,\\ x \in D(f_2)\end{cases} или {f2=0,x∈D(f1).\begin{cases} f_2 = 0,\\ x \in D(f_1).\end{cases} Доказательство: x0x_0 — корень ⇔ оба выражения определены и хотя бы одно равно нулю.
Примеры из учебника
  • 2x+29=3−x  ⟺  {2x+29=(3−x)2,3−x≥0\sqrt{2x + 29} = 3 - x \iff \begin{cases} 2x + 29 = (3 - x)^2,\\ 3 - x \ge 0\end{cases}: x2−8x−20=0x^2 - 8x - 20 = 0, x=−2x = -2 или 1010; условию x≤3x \le 3 удовлетворяет −2-2.
  • lg⁡(x2−4)=lg⁡(6x+4)  ⟺  {x2−4=6x+4,6x+4>0\lg(x^2 - 4) = \lg(6x + 4) \iff \begin{cases} x^2 - 4 = 6x + 4,\\ 6x + 4 > 0\end{cases}: x=3±17x = 3 \pm \sqrt{17}; 6(3−17)+4<06(3 - \sqrt{17}) + 4 < 0, ответ 3+173 + \sqrt{17}.
  • x(x+1)=0\sqrt{x}(x + 1) = 0: {x=0x∈R\begin{cases} x = 0\\ x \in \mathbb{R}\end{cases} или {x+1=0x≥0\begin{cases} x + 1 = 0\\ x \ge 0\end{cases} (решений нет). Ответ 00.
  • x2−4x+3x−2=0  ⟺  {x2−4x+3=0,x−2≠0\dfrac{x^2 - 4x + 3}{\sqrt{x - 2}} = 0 \iff \begin{cases} x^2 - 4x + 3 = 0,\\ \sqrt{x - 2} \ne 0\end{cases}: x=1x = 1 не подходит (−1\sqrt{-1} не определён), ответ 33.
Уравнения вида f(α(x)) = f(β(x))
  • Доказательство. Если u1=α(x0)<u2=β(x0)u_1 = \alpha(x_0) < u_2 = \beta(x_0), то для возрастающей ff было бы f(u1)<f(u2)f(u_1) < f(u_2) — противоречие; так же для u1>u2u_1 > u_2. Значит, α(x0)=β(x0)\alpha(x_0) = \beta(x_0). Обратное очевидно.
  • arccos⁡(x2−15)=arccos⁡(x+5)\arccos(x^2 - 15) = \arccos(x + 5): arccos⁡\arccos убывает на [−1;1][-1; 1]: x2−15=x+5x^2 - 15 = x + 5, −1≤x+5≤1-1 \le x + 5 \le 1. Корни −4-4 и 55, условию удовлетворяет −4-4.
  • Частный случай — ff монотонна на всей оси: f(α)=f(β)  ⟺  α=βf(\alpha) = f(\beta) \iff \alpha = \beta (aα=aβa^\alpha = a^\beta, α3+α=β3+β\alpha^3 + \alpha = \beta^3 + \beta и т. п.).
Если функция f(u)f(u) определена на промежутке MM и строго монотонна на нём, то f(α(x))=f(β(x))  ⟺  {α(x)=β(x),α(x)∈M.f(\alpha(x)) = f(\beta(x)) \iff \begin{cases} \alpha(x) = \beta(x),\\ \alpha(x) \in M.\end{cases}
Неравенства, равносильные системам
f2m<g  ⟺  {f<g2m,f≥0,g>0;f2m>g  ⟺  [{f>g2m,g≥0,{f≥0,g<0.\sqrt[2m]{f} < g \iff \begin{cases} f < g^{2m},\\ f \ge 0,\\ g > 0;\end{cases} \qquad \sqrt[2m]{f} > g \iff \left[\begin{array}{l}\begin{cases} f > g^{2m},\\ g \ge 0,\end{cases}\\ \begin{cases} f \ge 0,\\ g < 0.\end{cases}\end{array}\right.
  • f2m<g2m  ⟺  0≤f<g\sqrt[2m]{f} < \sqrt[2m]{g} \iff 0 \le f < g.  log⁡af>log⁡ag  ⟺  f>g>0\ \log_a f > \log_a g \iff f > g > 0 при a>1a > 1;   ⟺  0<f<g\iff 0 < f < g при 0<a<10 < a < 1.
  • f⋅g>0f\cdot g > 0 и fg>0\dfrac fg > 0 ⇔ {f>0g>0\begin{cases} f > 0\\ g > 0\end{cases} или {f<0g<0;\begin{cases} f < 0\\ g < 0;\end{cases}  f⋅g<0\ f\cdot g < 0 — разные знаки.
  • Пример. 5x+1>2x−2\sqrt{5x + 1} > 2x - 2: первая система 5x+1>(2x−2)25x + 1 > (2x - 2)^2, x≥1x \ge 1 ⇒ 4x2−13x+3<04x^2 - 13x + 3 < 0, 1≤x<31 \le x < 3; вторая 5x+1≥05x + 1 \ge 0, x<1x < 1 ⇒ −0,2≤x<1-0{,}2 \le x < 1. Ответ [−0,2;3)[-0{,}2; 3).
  • log⁡0,5(x3−x2−2x)>log⁡0,5(x3−3)  ⟺  0<x3−x2−2x<x3−3\log_{0{,}5}(x^3 - x^2 - 2x) > \log_{0{,}5}(x^3 - 3) \iff 0 < x^3 - x^2 - 2x < x^3 - 3: x2+2x−3>0x^2 + 2x - 3 > 0 и x(x+1)(x−2)>0x(x + 1)(x - 2) > 0 — ответ (2;+∞)(2; +\infty).
Никольский, п. 9.4Пример 1
Решите уравнение (12)x2−2x+5−x2−2x+59=(12)2x2−3x−1−2x2−3x−19\left(\dfrac12\right)^{x^2 - 2x + 5} - \sqrt[9]{x^2 - 2x + 5} = \left(\dfrac12\right)^{2x^2 - 3x - 1} - \sqrt[9]{2x^2 - 3x - 1}.
  1. Уравнение имеет вид f(α(x))=f(β(x))f(\alpha(x)) = f(\beta(x)), где f(u)=(12)u−u9f(u) = \left(\tfrac12\right)^u - \sqrt[9]{u} определена на R\mathbb{R} (корень нечётной степени).
  2. ff убывает на R\mathbb{R} как сумма убывающих функций (12)u\left(\tfrac12\right)^u и −u9-\sqrt[9]{u}. Поэтому уравнение равносильно x2−2x+5=2x2−3x−1x^2 - 2x + 5 = 2x^2 - 3x - 1.
  3. x2−x−6=0x^2 - x - 6 = 0: x=−2x = -2 или x=3x = 3.
Ответ: −2; 3-2;\ 3
ЕГЭ, задание 16Пример 2
Решите неравенство (x2−x−6)8−x≤0\left(x^2 - x - 6\right)\sqrt{8 - x} \le 0.
  1. Совокупность: 8−x=0\sqrt{8 - x} = 0 (то есть x=8x = 8) или {x2−x−6≤0,8−x>0.\begin{cases} x^2 - x - 6 \le 0,\\ 8 - x > 0.\end{cases}
  2. (x−3)(x+2)≤0(x - 3)(x + 2) \le 0: −2≤x≤3-2 \le x \le 3 — все такие xx меньше 88.
  3. Объединяем: [−2;3]∪{8}[-2; 3] \cup \{8\}.
Ответ: [−2;3]∪{8}[-2; 3] \cup \{8\}
ЕГЭ, задание 14 (а)Пример 3
Решите уравнение (x2+2x−7−1)⋅log⁡3(9+2x−x2)=0\left(\sqrt{x^2 + 2x - 7} - 1\right)\cdot\log_3\left(9 + 2x - x^2\right) = 0.
  1. Совокупность систем: {x2+2x−7=1,9+2x−x2>0\begin{cases} \sqrt{x^2 + 2x - 7} = 1,\\ 9 + 2x - x^2 > 0\end{cases} или {log⁡3(9+2x−x2)=0,x2+2x−7≥0.\begin{cases} \log_3(9 + 2x - x^2) = 0,\\ x^2 + 2x - 7 \ge 0.\end{cases}
  2. Первая: x2+2x−8=0x^2 + 2x - 8 = 0, x=2x = 2 или −4-4; 9+4−4>09 + 4 - 4 > 0, но 9−8−16<09 - 8 - 16 < 0 — остаётся x=2x = 2.
  3. Вторая: 9+2x−x2=19 + 2x - x^2 = 1, x=4x = 4 или −2-2; 16+8−7>016 + 8 - 7 > 0, 4−4−7<04 - 4 - 7 < 0 — остаётся x=4x = 4.
Ответ: 2; 42;\ 4
Главное
  • Система — «и», совокупность — «или».
  • f2m=g  ⟺  f=g2m, g≥0\sqrt[2m]{f} = g \iff f = g^{2m},\ g \ge 0; log⁡af=log⁡ag  ⟺  f=g>0\log_a f = \log_a g \iff f = g > 0.
  • f1f2=0f_1f_2 = 0: каждый множитель равен нулю при условии, что другой определён.
  • Монотонная ff: f(α)=f(β)  ⟺  α=βf(\alpha) = f(\beta) \iff \alpha = \beta на области определения.

Все уроки станции «Равносильность уравнений и неравенств»

  1. Равносильные уравнения и уравнения-следствия
  2. Равносильность системам
  3. Равносильность на множествах
  4. Метод промежутков
  5. Свойства функций при решении уравнений