Системы и двойные неравенства
В уроках «Квадратные неравенства: способ параболы» и «Метод интервалов: рациональные неравенства» вы решали одно неравенство. Теперь условий будет два и больше: научимся решать системы неравенств, двойные неравенства и находить область определения выражений с корнями. Вопрос, на который ответим в конце урока: при каких $x$ имеет смысл выражение $\sqrt{x+3}+\dfrac{1}{\sqrt{8-2x-x^2}}$ и сколько среди этих $x$ целых чисел?
Два условия сразу: ответ там, где закрашено дважды
Найдем числа $x$, при которых верны сразу два неравенства: $3x+6\ge0$ и $10-2x>0$. Вспомним модель профиля берега. Ось $Ox$ — уровень моря, график $y=3x+6$ — профиль местности. Неравенство $3x+6\ge0$ верно там, где профиль не ниже уровня моря: на суше и на берегу. Берег — нуль выражения: $3x+6=0$ при $x=-2$. Профиль поднимается слева направо, поэтому суша правее берега: $x\ge-2$.
У второго неравенства свой профиль $y=10-2x$. Он опускается слева направо, берег в точке $x=5$, суша левее. То же получим и вычислением: $-2x>-10$, делим на $-2$ и меняем знак: $x<5$. Каждое неравенство закрашивает на оси свою часть. Нарисуем две оси друг под другом в одном масштабе.
Оба неравенства верны только там, где закрашено в обеих строках: от $-2$ до $5$. Точка $-2$ закрашена в обеих строках, она входит в ответ. Точка $5$ во второй строке выколота: при $x=5$ получаем $10-10>0$, это неверно. Ответ: $x\in[-2;5)$.
Определение
Система неравенств с одной переменной — несколько неравенств, которые должны выполняться одновременно. Их записывают друг под другом и объединяют фигурной скобкой:
$$\left\{\begin{aligned}3x+6&\ge0\\10-2x&>0\end{aligned}\right.$$
Решение системы — значение $x$, при котором верно каждое неравенство системы. Решить систему — найти все ее решения или доказать, что их нет.
Правило
Множество решений системы — пересечение множеств решений ее неравенств: на осях это часть, закрашенная в каждой строке.
$$\left\{\begin{aligned}x&\ge-2\\x&<5\end{aligned}\right.\quad\Longleftrightarrow\quad x\in[-2;5)$$
Почему это так? Число — решение системы, если оно подходит и под первое, и под второе неравенство. Значит, оно лежит и в первом множестве решений, и во втором, то есть в их пересечении. Подробнее о пересечении промежутков — в уроке 8 класса «Пересечения и объединения множеств в решении систем неравенств».
Ошибка
Вообразавр решает ту же систему: «Первое: $x\ge-2$, второе: $x<5$. Любое число подходит хотя бы под одно из них — значит, ответ: любое число».
Проверим на числах. Возьмем $x=7$. Первое неравенство: $3\cdot7+6=27\ge0$ — верно. Второе: $10-2\cdot7=-4>0$ — неверно. Число $7$ не решение системы, а в ответе Вообразавра оно есть.
Где сломалось рассуждение. Вообразавр взял объединение — все числа, закрашенные хотя бы в одной строке. Это ответ для «или». Фигурная скобка системы означает «и»: нужна часть, закрашенная в каждой строке.
Ров и луч
В системе может быть и квадратное неравенство. Решим систему $\left\{\begin{aligned}x^2-x-6&\ge0\\2x+1&<11\end{aligned}\right.$.
Профиль первого неравенства — парабола $y=x^2-x-6$, ветви вверх: это ров. Берега — корни: $D=1+24=25$, $x=\dfrac{1\pm5}{2}$, то есть $-2$ и $3$. Неравенство нестрогое, поэтому подходят суша по обе стороны рва и сами берега: $(-\infty;-2]\cup[3;+\infty)$. Второе неравенство линейное: $2x<10$, $x<5$.
Сравним строки. Луч $(-\infty;-2]$ целиком лежит левее $5$ — он входит в ответ полностью. От второго луча $[3;+\infty)$ остается только часть до $5$: $[3;5)$. Ответ системы состоит из двух кусков: так бывает, когда одно из неравенств само дает два куска. Знак $\cup$ в ответе не противоречит правилу — в ответ по-прежнему входят только числа, закрашенные в обеих строках.
Алгоритм
- Решите каждое неравенство системы отдельно: линейное — переносом и делением, квадратное — способом параболы.
- Отметьте решения на осях друг под другом в одном масштабе: одна строка — одно неравенство.
- Найдите части, закрашенные в каждой строке. Каждый конец проверьте: он входит в ответ, только если закрашен во всех строках.
- Запишите ответ промежутками; если общей части нет — «решений нет».
Пример 1
Проверим ответ $(-\infty;-2]\cup[3;5)$ пробными точками, как Решавр.
$x=0$: $0-0-6=-6\ge0$ — неверно. Число $0$ лежит во рву, первое неравенство не выполнено, в ответе его нет.
$x=4$: $16-4-6=6\ge0$ — верно; $2\cdot4+1=9<11$ — верно. Число $4$ — решение, и оно лежит в $[3;5)$.
$x=6$: $36-6-6=24\ge0$ — верно; $2\cdot6+1=13<11$ — неверно. Число $6$ не решение, в ответе его нет.
Ответ: $x\in(-\infty;-2]\cup[3;5)$.
Когда общей части нет
Бывает, что закраски не встречаются. Решим систему $\left\{\begin{aligned}x^2-6x+5&<0\\3x-2&\ge16\end{aligned}\right.$.
Первое: профиль $y=x^2-6x+5$ — ров с берегами $1$ и $5$ (корни по теореме Виета: $1+5=6$, $1\cdot5=5$). Неравенство строгое и требует воды: $x\in(1;5)$. Второе: $3x\ge18$, $x\ge6$.
Промежуток $(1;5)$ и луч $[6;+\infty)$ не имеют общих точек: между $5$ и $6$ не закрашено ничего, левее $5$ нет второй закраски, правее $6$ — первой. Ни одно число не удовлетворяет обоим неравенствам.
Важно
Если части, закрашенной в каждой строке, нет, система не имеет решений. Ответ так и пишут: «решений нет». Это полноценный ответ, а не признак ошибки в вычислениях.
Общая точка: решают концы
Иксератопс спрашивает: «А если у закрасок общая только одна точка?» Сравним две пары условий. В паре $x<3$ и $x\ge3$ число $3$ подходит под второе, но не под первое: $3<3$ неверно. Других общих чисел нет — решений нет. В паре $x\le3$ и $x\ge3$ число $3$ подходит под оба условия, и это единственное решение: $x=3$.
На схеме система $\left\{\begin{aligned}2x-5&\le1\\x^2-9&\ge0\end{aligned}\right.$. Точка $3$ закрашена в обеих строках: она входит в ответ как отдельная точка.
Правило
Конец промежутка входит в ответ системы, только если он закрашен в каждой строке. Хватит одного строгого знака, чтобы точка выпала из ответа.
Пример 2
Решим систему $\left\{\begin{aligned}2x-5&\le1\\x^2-9&\ge0\end{aligned}\right.$.
Первое: $2x\le6$, $x\le3$ — луч $(-\infty;3]$.
Второе: профиль $y=x^2-9$ — ров с берегами $-3$ и $3$, неравенство нестрогое, подходит суша с берегами: $(-\infty;-3]\cup[3;+\infty)$.
Закрашено в обеих строках: весь луч $(-\infty;-3]$ и одна точка $3$ — берег, закрашенный в обеих строках. Проверка: $2\cdot3-5=1\le1$ и $9-9=0\ge0$ — оба верны.
Множество из одного числа записывают в фигурных скобках: $\{3\}$.
Ответ: $x\in(-\infty;-3]\cup\{3\}$.
Что будет, если первый знак станет строгим?
Ошибка
Изменим первое неравенство на строгое: $2x-5<1$. Вообразавр переписывает прежний ответ: $(-\infty;-3]\cup\{3\}$.
Проверим на числах. При $x=3$: $2\cdot3-5=1<1$ — неверно. Число $3$ не решение.
Где сломалось рассуждение. Теперь первая закраска $x<3$, и точка $3$ в ней выколота. Закрашенной во всех строках она больше не является, поэтому ответ: $x\in(-\infty;-3]$. Обратная ошибка — потерять точку $3$ в Примере 2. Проверка: $2\cdot3-5=1\le1$ и $9-9=0\ge0$ — число $3$ решение, без него ответ неполный.
Двойное неравенство — система в одну строку
Запись $-7<3x+2\le8$ означает, что выражение $3x+2$ одновременно больше $-7$ и не больше $8$. Это система из двух неравенств: $3x+2>-7$ и $3x+2\le8$.
Правило
Двойное неравенство $a<f(x)\le b$ — это система
$$\left\{\begin{aligned}f(x)&>a\\f(x)&\le b\end{aligned}\right.$$
Если $f(x)$ линейное, можно преобразовывать сразу все три части: прибавлять одно число и делить на одно число. При делении на отрицательное число меняются оба знака.
Пример 3
$-7<3x+2\le8$. Вычтем $2$ из всех частей: $-9<3x\le6$. Разделим на $3$: $-3<x\le2$.
Ответ: $x\in(-3;2]$.
Теперь пример, в котором коэффициент при $x$ отрицателен.
Пример 4
$-1\le5-2x<9$. Вычтем $5$: $-6\le-2x<4$. Разделим на $-2$ и сменим оба знака: $3\ge x>-2$. Прочитаем справа налево: $-2<x\le3$.
Ответ: $x\in(-2;3]$.
Важно
Если в Примере 4 не сменить знаки, получится $3\le x<-2$ — число не может быть одновременно не меньше $3$ и меньше $-2$. Такая запись — сигнал, что при делении на отрицательное число знаки остались прежними.
Когда три части сразу преобразовать нельзя
С $x^2$ в середине три части сразу преобразовать нельзя: из $x^2\ge1$ не следует $x\ge1$. Решим $1\le x^2<16$ как систему. Профиль $y=x^2$ — парабола. Уровень моря теперь не один, а два: нижний $y=1$ и верхний $y=16$. Нужны $x$, где высота профиля не ниже $1$ и ниже $16$.
Пример 5
$1\le x^2<16$ — система $\left\{\begin{aligned}x^2&\ge1\\x^2&<16\end{aligned}\right.$.
$x^2-1\ge0$: ров с берегами $\pm1$, суша с берегами — $(-\infty;-1]\cup[1;+\infty)$.
$x^2-16<0$: ров с берегами $\pm4$, вода — $(-4;4)$.
Закрашено в обеих строках: $(-4;-1]$ и $[1;4)$. Ответ $[1;4)$ теряет отрицательные числа: например, $(-2)^2=4$, и $1\le4<16$ — верно.
Ответ: $x\in(-4;-1]\cup[1;4)$.
Каждое ограничение — строка системы
Вернемся к вопросу из начала урока: при каких $x$ имеет смысл $\sqrt{x+3}+\dfrac{1}{\sqrt{8-2x-x^2}}$? Выражение имеет смысл, когда выполнены все ограничения сразу. Каждое ограничение становится строкой системы:
- под корнем — неотрицательное число: $x+3\ge0$;
- корень стоит в знаменателе, а делить на ноль нельзя, поэтому под ним строго положительное число: $8-2x-x^2>0$.
Пример 6
Решим систему $\left\{\begin{aligned}x+3&\ge0\\8-2x-x^2&>0\end{aligned}\right.$.
Первое: $x\ge-3$.
Второе: профиль $y=8-2x-x^2$ — холм (ветви вниз), берега — корни уравнения $x^2+2x-8=0$: $D=4+32=36$, $\dfrac{-2\pm6}{2}$, то есть $-4$ и $2$. Нужна суша без берегов: $x\in(-4;2)$.
Закрашено в обеих строках: $[-3;2)$. Точка $-3$ входит: $\sqrt{0}=0$, а $8+6-9=5>0$. Точка $2$ не входит: в знаменателе получился бы $\sqrt{0}=0$.
Целые числа в $[-3;2)$: $-3$, $-2$, $-1$, $0$, $1$ — всего $5$.
Ответ: $x\in[-3;2)$; целых значений $5$.
Такие задачи встречаются в ОГЭ (задание 20): решить систему неравенств, найти число целых решений или область определения выражения.
Вывод
Системы неравенств нужны всякий раз, когда на $x$ наложено несколько условий сразу: в области определения выражений, в задачах ОГЭ (задание 20), в свойствах функций. Метод один — каждое условие закрашивает свою строку, ответ там, где закрашено во всех строках.
Часто задаваемые вопросы
В системе каждое неравенство должно быть верным, поэтому ответ — пересечение решений. При условии «или» достаточно одного верного неравенства, и ответ — объединение. Например, ответ квадратного неравенства $(-\infty;-2]\cup[3;+\infty)$ — это «или»: $x\le-2$ или $x\ge3$.
То же самое: три строки друг под другом, ответ — часть, закрашенная во всех трех. Удобно сначала пересечь два решения, а потом результат — с третьим.
Если в средней части линейное выражение — да, преобразуйте три части сразу и при делении на отрицательное число смените оба знака. Если там $x^2$ или дробь, разбейте на систему: извлекать корень из всех частей нельзя.
Рисунок защищает от двух главных ошибок: объединения вместо пересечения и неверных концов. На осях сразу видно, где закрашено в каждой строке, а где только в одной.
Получите полный доступ ко всем материалам и занимайтесь в удобном темпе — без ограничений.
- Более 700 000 учеников и 50 000 учителей по всей России.
- Повышение среднего балла по предмету до 20 % после месяца занятий.
- Всплеск интереса к учебе и более глубокое понимание предметов.
Создайте бесплатный аккаунт — и откройте больше возможностей:
- Отслеживайте прогресс освоения тем
- Получайте персональные подборки полезных уроков и заданий
- Проводите работу над ошибками после занятий