Методы решения неравенств

Методы решения неравенств

Решение неравенств требует системного подхода и владения различными методами. Рассмотрим основные методы с примерами и подробными объяснениями.

🎯 Ключевой метод: Метод интервалов — универсальный способ решения рациональных неравенств.

Метод интервалов

Основные принципы метода

Метод интервалов применяется для решения неравенств вида P(x) ≥ 0, P(x) > 0, P(x) < 0 или P(x) ≤ 0, где P(x) — многочлен или рациональная функция.

Правило определения знаков через чередование

Алгоритм:
  1. 1. Найти значения переменной, при которых левая часть неравенства равна нулю или становится неопределённой (Критические точки)
  2. 2. Отметить их на числовой прямой
  3. 3. Определить знак в крайнем правом интервале
  4. 4. Двигаться слева направо, чередуя знаки
  5. 5. При переходе через корень нечетной кратности — знак меняется
  6. 6. При переходе через корень четной кратности — знак сохраняется
Как определить знак в правом интервале:
  • • Подставить большое положительное число (например, x = 1000)
  • • Посмотреть на знак старшего коэффициента
  • • Если старший коэффициент > 0, в правом интервале будет "+"
  • • Если старший коэффициент < 0, в правом интервале будет "-"
Важно!

Точки разрыва (где знаменатель равен 0) всегда выкалываются и при переходе через них знак меняется.

Алгоритм метода интервалов

1
Найти нули функции и точки разрыва
2
Отметить точки на числовой прямой
3
Определить знак в крайнем правом интервале
4
Расставить знаки с учетом кратности корней
5
Выбрать интервалы, удовлетворяющие неравенству

Пример 1: Простое рациональное неравенство

Решить неравенство: x2x+3>0 \frac{x-2}{x+3} > 0

Шаг 1: Находим критические точки

x2=0x=2 x - 2 = 0 \Rightarrow x = 2 x+3=0x=3 x + 3 = 0 \Rightarrow x = -3

Шаг 2: Расставляем точки на числовой прямой

-3

точка разрыва

2

ноль функции

Шаг 3: Определяем знак в правом интервале

При x=1000:100021000+3=9981003>0 \text{При } x = 1000: \quad \frac{1000-2}{1000+3} = \frac{998}{1003} > 0

Знак в интервале (2, +∞): +

Шаг 4: Расставляем знаки с чередованием

Интервал (2, +∞):+
При переходе через x = 2 (простой корень):меняем знак →
Интервал (-3, 2):-
При переходе через x = -3 (точка разрыва):меняем знак →
Интервал (-∞, -3):+

Ответ:

x(,3)(2,+) x \in (-\infty, -3) \cup (2, +\infty)

Пример 2: Неравенство с кратными корнями

Решить неравенство: (x1)2(x+2)(x3)0 (x-1)^2(x+2)(x-3) \leq 0

Критические точки и их кратность:

x=2 (корень кратности 1) x = -2 \text{ (корень кратности 1)} x=1 (корень кратности 2) x = 1 \text{ (корень кратности 2)} x=3 (корень кратности 1) x = 3 \text{ (корень кратности 1)}

Шаг 1: Определяем знак в правом интервале

Старший коэффициент: 111=1>0 \text{Старший коэффициент: } 1 \cdot 1 \cdot 1 = 1 > 0

Знак в интервале (3, +∞): +

Шаг 2: Расставляем знаки с учетом кратности

Интервал (3, +∞):+
При переходе через x = 3 (кратность 1):меняем знак →
Интервал (1, 3):-
При переходе через x = 1 (кратность 2):знак НЕ меняется →
Интервал (-2, 1):-
При переходе через x = -2 (кратность 1):меняем знак →
Интервал (-∞, -2):+

Запомните!

При переходе через корень четной кратности знак не меняется, через корень нечетной кратности — знак меняется.

Ответ:

x[2,3] x \in [-2, 3]

Точка x = 1 включается, так как неравенство нестрогое

Пример 3: Сложное рациональное неравенство

Решить неравенство: (x2)3(x+1)2(x4)(x+3)0 \frac{(x-2)^3(x+1)^2}{(x-4)(x+3)} \geq 0

Критические точки и их кратность:

  • • x = -3 (точка разрыва, знаменатель)
  • • x = -1 (числитель, кратность 2 - ЧЕТНАЯ)
  • • x = 2 (числитель, кратность 3 - НЕЧЕТНАЯ)
  • • x = 4 (точка разрыва, знаменатель)

Расстановка знаков по правилу чередования:

(-∞, -3)
(-3, -1)
(-1, 2)
(2, 4)
(4, +∞)
+
-
-
+
-
через x=-3
меняем
через x=-1
НЕ меняем
через x=2
меняем
через x=4
меняем

Ответ:

x(,3){1}[2,4) x \in (-\infty, -3) \cup \{-1\} \cup [2, 4)

Метод замены переменной

Применение метода

Метод замены переменной используется для упрощения сложных неравенств, особенно показательных, логарифмических и тригонометрических.

Пример: Показательное неравенство

Решить неравенство: 4x52x+4<0 4^x - 5 \cdot 2^x + 4 < 0

Шаг 1: Замена переменной

t=2x,t>0 t = 2^x, \quad t > 0 t25t+4<0 t^2 - 5t + 4 < 0

Шаг 2: Решаем квадратное неравенство

t25t+4=0t1=1,t2=4 t^2 - 5t + 4 = 0 \Rightarrow t_1 = 1, \quad t_2 = 4 1<t<4 1 < t < 4

Шаг 3: Возвращаемся к исходной переменной

1<2x<4 1 < 2^x < 4 20<2x<22 2^0 < 2^x < 2^2 0<x<2 0 < x < 2

Ответ:

x(0,2) x \in (0, 2)

Метод рационализации

Суть метода

Метод рационализации позволяет заменить сложные логарифмические и показательные неравенства на более простые алгебраические, используя монотонность функций.

Полная таблица формул рационализации

Исходное выражениеРационализированное выражениеУсловия
logaflogag \log_a f - \log_a g (a1)(fg) (a-1)(f-g) f > 0, g > 0, a > 0, a ≠ 1
logaf \log_a f (a1)(f1) (a-1)(f-1) f > 0, a > 0, a ≠ 1
afag a^f - a^g (a1)(fg) (a-1)(f-g) a > 0, a ≠ 1
af1 a^f - 1 (a1)f (a-1)f a > 0, a ≠ 1
fg \sqrt{f} - \sqrt{g} fg f - g f ≥ 0, g ≥ 0
fg1 \frac{f}{g} - 1 fg f - g g ≠ 0
loghfloghg \log_h f - \log_h g (h1)(fg) (h-1)(f-g) f > 0, g > 0, h > 0, h ≠ 1
Важное правило!

Знак рационализированного выражения совпадает со знаком исходного выражения. Если основание a > 1, то (a-1) > 0 и его можно опустить. Если 0 < a < 1, то (a-1) < 0 и знак меняется на противоположный.

Пример 1: Логарифмическое неравенство с разными основаниями

Решить неравенство: log0.5(x1)log0.5(2x3)>0 \log_{0.5}(x-1) - \log_{0.5}(2x-3) > 0

Шаг 1: Применяем метод рационализации

(0.51)[(x1)(2x3)]>0 (0.5-1)[(x-1) - (2x-3)] > 0 (0.5)(x+2)>0 (-0.5)(-x+2) > 0 0.5(x2)>0 0.5(x-2) > 0 x2>0 x-2 > 0

Шаг 2: Учитываем ОДЗ

{x1>02x3>0x>1.5 \begin{cases} x-1 > 0 \\ 2x-3 > 0 \end{cases} \Rightarrow x > 1.5 x>2 x > 2

Ответ:

x(2,+) x \in (2, +\infty)

Пример 2: Показательное неравенство

Решить неравенство: 3x22x3x1<0 3^{x^2-2x} - 3^{x-1} < 0

Шаг 1: Применяем метод рационализации

(31)[(x22x)(x1)]<0 (3-1)[(x^2-2x) - (x-1)] < 0 2(x23x+1)<0 2(x^2 - 3x + 1) < 0 x23x+1<0 x^2 - 3x + 1 < 0

Шаг 2: Решаем квадратное неравенство

x23x+1=0 x^2 - 3x + 1 = 0 D=94=5 D = 9 - 4 = 5 x1,2=3±52 x_{1,2} = \frac{3 \pm \sqrt{5}}{2} x(352,3+52) x \in \left(\frac{3-\sqrt{5}}{2}, \frac{3+\sqrt{5}}{2}\right)

Ответ:

x(352,3+52) x \in \left(\frac{3-\sqrt{5}}{2}, \frac{3+\sqrt{5}}{2}\right)

Пример 3: Неравенство с произведением логарифмов

Решить неравенство: log2(x+1)log2(x2)>0 \log_2(x+1) \cdot \log_2(x-2) > 0

Шаг 1: Рассматриваем два случая

{log2(x+1)>0log2(x2)>0 \begin{cases} \log_2(x+1) > 0 \\ \log_2(x-2) > 0 \end{cases}

или

{log2(x+1)<0log2(x2)<0 \begin{cases} \log_2(x+1) < 0 \\ \log_2(x-2) < 0 \end{cases}

Шаг 2: Рационализируем каждое неравенство

log2(x+1)>0(21)(x+11)>0x>0 \log_2(x+1) > 0 \Rightarrow (2-1)(x+1-1) > 0 \Rightarrow x > 0
log2(x2)>0(21)(x21)>0x>3 \log_2(x-2) > 0 \Rightarrow (2-1)(x-2-1) > 0 \Rightarrow x > 3
log2(x+1)<0(21)(x+11)<0x<0 \log_2(x+1) < 0 \Rightarrow (2-1)(x+1-1) < 0 \Rightarrow x < 0
log2(x2)<0(21)(x21)<0x<3 \log_2(x-2) < 0 \Rightarrow (2-1)(x-2-1) < 0 \Rightarrow x < 3

Шаг 3: Учитываем ОДЗ и объединяем решения

ОДЗ: x+1>0x>1,x2>0x>2 \text{ОДЗ: } x+1 > 0 \Rightarrow x > -1, \quad x-2 > 0 \Rightarrow x > 2
1-ый случай: x>0 и x>3x>3 \text{1-ый случай: } x > 0 \text{ и } x > 3 \Rightarrow x > 3 2-ой случай: x<0 и x<3x<0 \text{2-ой случай: } x < 0 \text{ и } x < 3 \Rightarrow x < 0 С учетом ОДЗ: x(3,+) \text{С учетом ОДЗ: } x \in (3, +\infty)

Ответ:

x(3,+) x \in (3, +\infty)

Пример 4: Иррациональное неравенство

Решить неравенство: x+3x1>1 \sqrt{x+3} - \sqrt{x-1} > 1

Шаг 1: Применяем метод рационализации

x+3x1>1 \sqrt{x+3} - \sqrt{x-1} > 1
(x+3)(x1)>1(x+3+x1) (x+3) - (x-1) > 1(\sqrt{x+3} + \sqrt{x-1})
4>x+3+x1 4 > \sqrt{x+3} + \sqrt{x-1}

Шаг 2: Учитываем ОДЗ и решаем

ОДЗ: x+30x3,x10x1 \text{ОДЗ: } x+3 \geq 0 \Rightarrow x \geq -3, \quad x-1 \geq 0 \Rightarrow x \geq 1
Так как x+3+x10, неравенство всегда имеет смысл \text{Так как } \sqrt{x+3} + \sqrt{x-1} \geq 0, \text{ неравенство всегда имеет смысл}
Возводим в квадрат: 16>x+3+x1+2(x+3)(x1) \text{Возводим в квадрат: } 16 > x+3 + x-1 + 2\sqrt{(x+3)(x-1)}
16>2x+2+2x2+2x3 16 > 2x + 2 + 2\sqrt{x^2+2x-3}

Ответ после дальнейшего решения:

x[1,5) x \in [1, 5)

Алгоритм применения метода рационализации

1
Определить тип неравенства (логарифмическое, показательное, иррациональное)
2
Найти ОДЗ исходного неравенства
3
Выбрать подходящую формулу рационализации из таблицы
4
Заменить исходное выражение на рационализированное
5
Решить полученное алгебраическое неравенство
6
Найти пересечение решения с ОДЗ

Преимущества метода рационализации

Упрощение вычислений

Исключает необходимость рассмотрения случаев монотонности

Универсальность

Применим к различным типам трансцендентных неравенств

Скорость решения

Позволяет быстро перейти к алгебраическому неравенству

Минимизация ошибок

Снижает вероятность ошибок при рассмотрении случаев

Метод областей (для неравенств с модулем)

Пример: Неравенство с модулем

Решить неравенство: x2+x+1<5 |x-2| + |x+1| < 5

Шаг 1: Находим критические точки

x2=0x=2 x-2 = 0 \Rightarrow x = 2 x+1=0x=1 x+1 = 0 \Rightarrow x = -1

Шаг 2: Рассматриваем интервалы

1. x < -1:

(x2)(x+1)"<"5 -(x-2) - (x+1) {"<"} 5 2x+1<5x>2 -2x + 1 < 5 \Rightarrow x > -2 x(2,1) x \in (-2, -1)

2. -1 ≤ x < 2:

(x2)+(x+1)<5 -(x-2) + (x+1) < 5 3<5всегда истинно 3 < 5 \Rightarrow \text{всегда истинно} x[1,2) x \in [-1, 2)

3. x ≥ 2:

(x2)+(x+1)<5 (x-2) + (x+1) < 5 2x1<5x<3 2x - 1 < 5 \Rightarrow x < 3 x[2,3) x \in [2, 3)

Ответ:

x(2,3) x \in (-2, 3)

Графический метод

Пример: Графическое решение

Решить неравенство: x23x+2<0 x^2 - 3x + 2 < 0

Шаг 1: Строим график функции

f(x)=x23x+2 f(x) = x^2 - 3x + 2
Ветви параболы направлены вверх \text{Ветви параболы направлены вверх}
Нули: x1=1,x2=2 \text{Нули: } x_1 = 1, \quad x_2 = 2

Шаг 2: Анализируем график

Парабола находится ниже оси OX на интервале между корнями.

Ответ:

x(1,2) x \in (1, 2)

Сравнение методов решения

МетодПрименениеПреимуществаОграничения
Метод интерваловРациональные неравенстваУниверсальность, наглядностьТолько для рациональных функций
Замена переменнойПоказательные, логарифмическиеУпрощение сложных неравенствНужно правильно выбрать замену
РационализацияЛогарифмические и показательныеБыстрое решение без ОДЗТребует знания формул
ГрафическийЛюбые неравенстваНаглядность, понимание сутиНеточность при построении

Практические советы по решению неравенств

Обязательные шаги

  • • Всегда находите ОДЗ
  • • Определите тип неравенства
  • • Выберите подходящий метод
  • • Проверяйте точки разрыва
  • • Учитывайте кратность корней

Типичные ошибки

  • • Забывают про ОДЗ
  • • Неправильно определяют знаки
  • • Путают строгие и нестрогие неравенства
  • • Не учитывают кратность корней
  • • Ошибки в арифметических вычислениях

Неравенства в ЕГЭ по математике (задания №14, №15)

Неравенства в профильном ЕГЭ

Задания №15 содержат сложные неравенства различных типов. Для успешного решения необходимо владеть методами решения и преобразования неравенств, учитывать ОДЗ и особенности функций.

🎯 Баллы: За правильное решение неравенства можно получить 2 первичных балла.

Логарифмические неравенства

Условие задачи

"Решите неравенство:log2(x24x+3)log2(x1)1 \log_{2}(x^2 - 4x + 3) - \log_{2}(x-1) \geq 1 "

Шаг 1: Находим ОДЗ

{x24x+3>0x1>0 \begin{cases} x^2 - 4x + 3 > 0 \\ x - 1 > 0 \end{cases}
x24x+3>0(x1)(x3)>0x(,1)(3,+) x^2 - 4x + 3 > 0 \Rightarrow (x-1)(x-3) > 0 \Rightarrow x \in (-\infty, 1) \cup (3, +\infty)
x1>0x>1 x - 1 > 0 \Rightarrow x > 1 ОДЗ: x(3,+) \text{ОДЗ: } x \in (3, +\infty)

Шаг 2: Преобразуем неравенство

log2(x24x+3x1)1 \log_{2}\left(\frac{x^2 - 4x + 3}{x-1}\right) \geq 1
x24x+3x1=(x1)(x3)x1=x3 \frac{x^2 - 4x + 3}{x-1} = \frac{(x-1)(x-3)}{x-1} = x-3
log2(x3)1 \log_{2}(x-3) \geq 1

Шаг 3: Решаем неравенство

x321 x - 3 \geq 2^1 x32 x - 3 \geq 2 x5 x \geq 5

Шаг 4: Учитываем ОДЗ

Полученное решение x5 x \geq 5 полностью входит в ОДЗ x>3 x > 3 .

Ответ

x[5,+) x \in [5, +\infty)

Показательные неравенства

Условие задачи

"Решите неравенство:4x32x+1+8>0 4^x - 3 \cdot 2^{x+1} + 8 > 0 "

Шаг 1: Замена переменной

Пусть t=2x,t>0 \text{Пусть } t = 2^x, \quad t > 0 4x=(22)x=22x=(2x)2=t2 4^x = (2^2)^x = 2^{2x} = (2^x)^2 = t^2 32x+1=32x2=6t 3 \cdot 2^{x+1} = 3 \cdot 2^x \cdot 2 = 6t t26t+8>0 t^2 - 6t + 8 > 0

Шаг 2: Решаем квадратное неравенство

t26t+8=0 t^2 - 6t + 8 = 0 D=3632=4 D = 36 - 32 = 4 t1,2=6±22=2,4 t_{1,2} = \frac{6 \pm 2}{2} = 2, 4
t26t+8>0t(,2)(4,+) t^2 - 6t + 8 > 0 \Rightarrow t \in (-\infty, 2) \cup (4, +\infty)

Шаг 3: Возвращаемся к переменной x

t<22x<2x<1 t < 2 \Rightarrow 2^x < 2 \Rightarrow x < 1 t>42x>42x>22x>2 t > 4 \Rightarrow 2^x > 4 \Rightarrow 2^x > 2^2 \Rightarrow x > 2

Ответ

x(,1)(2,+) x \in (-\infty, 1) \cup (2, +\infty)

Иррациональные неравенства

Условие задачи

"Решите неравенство:2x+5>x+1 \sqrt{2x + 5} > x + 1 "

Шаг 1: Находим ОДЗ

2x+50x2.5 2x + 5 \geq 0 \Rightarrow x \geq -2.5

Шаг 2: Анализируем правую часть

Рассмотрим два случая в зависимости от знака правой части неравенства.

Случай 1: Правая часть отрицательна

x+1<0x<1 x + 1 < 0 \Rightarrow x < -1
При x<1 левая часть 0, правая <0 \text{При } x < -1 \text{ левая часть } \geq 0, \text{ правая } < 0
неравенство выполняется всегда \Rightarrow \text{неравенство выполняется всегда} Учитывая ОДЗ: x[2.5,1) \text{Учитывая ОДЗ: } x \in [-2.5, -1)

Случай 2: Правая часть неотрицательна

x+10x1 x + 1 \geq 0 \Rightarrow x \geq -1
Возводим в квадрат: 2x+5>(x+1)2 \text{Возводим в квадрат: } 2x + 5 > (x + 1)^2
2x+5>x2+2x+1 2x + 5 > x^2 + 2x + 1 0>x24 0 > x^2 - 4 x24<0x(2,2) x^2 - 4 < 0 \Rightarrow x \in (-2, 2) Учитывая x1:x[1,2) \text{Учитывая } x \geq -1: \quad x \in [-1, 2)

Шаг 3: Объединяем решения

[2.5,1)[1,2)=[2.5,2) [-2.5, -1) \cup [-1, 2) = [-2.5, 2)

Ответ

x[2.5,2) x \in [-2.5, 2)

Тригонометрические неравенства

Условие задачи

"Решите неравенство:2sin2x3sinx+10 2\sin^2 x - 3\sin x + 1 \geq 0 "

Шаг 1: Замена переменной

Пусть t=sinx,t[1,1] \text{Пусть } t = \sin x, \quad t \in [-1, 1] 2t23t+10 2t^2 - 3t + 1 \geq 0

Шаг 2: Решаем квадратное неравенство

2t23t+1=0 2t^2 - 3t + 1 = 0 D=98=1 D = 9 - 8 = 1 t1,2=3±14=0.5,1 t_{1,2} = \frac{3 \pm 1}{4} = 0.5, 1
2t23t+10 2t^2 - 3t + 1 \geq 0 \Rightarrow t(,0.5][1,+) \Rightarrow t \in (-\infty, 0.5] \cup [1, +\infty)

Шаг 3: Учитываем ограничения

t[1,1]берём пересечение t \in [-1, 1] \Rightarrow \text{берём пересечение} t[1,0.5]{1} t \in [-1, 0.5] \cup \{1\}

Шаг 4: Возвращаемся к переменной x

sinx0.5 \sin x \leq 0.5 \Rightarrow x[7π6+2πn,π6+2πn] \Rightarrow x \in \left[-\frac{7\pi}{6} + 2\pi n, \frac{\pi}{6} + 2\pi n\right]
sinx=1x=π2+2πn  nZ \sin x = 1 \Rightarrow x = \frac{\pi}{2} + 2\pi n \ \ n \in Z

Ответ

x[7π6+2πn,π6+2πn]{π2+2πn}  nZ x \in \left[-\frac{7\pi}{6} + 2\pi n, \frac{\pi}{6} + 2\pi n\right] \cup \left\{\frac{\pi}{2} + 2\pi n\right\} \ \ n \in Z

Рациональные неравенства

Условие задачи

"Решите неравенство:(x2)2(x+3)(x1)(x+1)0 \frac{(x-2)^2(x+3)}{(x-1)(x+1)} \geq 0 "

Шаг 1: Находим нули и точки разрыва

Нули: x=2 (кратность 2), x=3 \text{Нули: } x = 2 \text{ (кратность 2)}, \ x = -3 Точки разрыва: x=1,x=1 \text{Точки разрыва: } x = 1, \quad x = -1

Шаг 2: Метод интервалов

Расставляем точки на числовой прямой: -3, -1, 1, 2

(,3],[3,1),(1,1),(1,2], (-\infty, -3], [-3, -1), (-1, 1), (1, 2], [2,+) [2, +\infty)

Шаг 3: Определяем знаки

Определяем знак в крайнем правом интервале и используем правило: при переходе через корень четной кратности знак не меняется, через корень нечетной кратности — знак меняется. Или определяем знак в каждом интервале:

x=4:(+)()()()=(+) x = -4: \quad \frac{(+)(-)}{(-)(-)} = (+) x=2:(+)(+)()()=(+) x = -2: \quad \frac{(+)(+)}{(-)(-)} = (+) x=0:(+)(+)()(+)=() x = 0: \quad \frac{(+)(+)}{(-)(+)} = (-) x=1.5:(+)(+)(+)(+)=(+) x = 1.5: \quad \frac{(+)(+)}{(+)(+)} = (+) x=3:(+)(+)(+)(+)=(+) x = 3: \quad \frac{(+)(+)}{(+)(+)} = (+)

Шаг 4: Записываем ответ

Учитываем, что в нулях четной кратности знак не меняется, точки разрыва не включаем.

Ответ

x(,3](1,1)[2,+) x \in (-\infty, -3] \cup (-1, 1) \cup [2, +\infty)

Основные методы решения неравенств

Общие принципы

  • • Всегда находите ОДЗ
  • • Используйте замену переменных для упрощения
  • • Применяйте метод интервалов для рациональных неравенств
  • • Учитывайте монотонность функций
  • • Проверяйте точки разрыва и границы

Особые случаи

  • • Логарифмы: основание > 0, ≠ 1
  • • Показательные: основание > 0
  • • Иррациональные: подкоренное 0
  • • Тригонометрические: периодичность
  • • Дробные: знаменатель ≠ 0