Учебник. Показательные и логарифмические неравенства




Показательные и логарифмические неравенства

Рассмотрим неравенство a f (x) > a g (x) , a>0, a≠1 и неравенство, ему равносильное: a f (x) - a g (x) >0 . Для его решения исследуем знак разности a f (x) - a g (x) . Итак, выясним, что следует из того, что a f (x) - a g (x) >0 .

1) Если a > 1, то f (x) > g (x), а это значит, что (a – 1)(f (x) – g (x)) > 0.

2) Если 0 < a < 1, то f (x) < g (x), и опять (a – 1)(f (x) – g (x)) > 0.

Верно и обратное. Если ( a-1 ) ( f (x) -g (x) ) >0 , то при a>1 имеем f (x) >g (x) , то есть a f (x) > a g (x) , а при 0<a<1 получаем f (x) <g (x) , то есть a f (x) > a g (x) .

Таким образом, мы доказали, что:

Знак разности a f (x) - a g (x) совпадает со знаком выражения ( a-1 ) ( f (x) -g (x) ) .

А это как раз обозначает, что получено условие равносильности: a f (x) > a g (x) ⇔ ( a-1 ) ( f (x) -g (x) ) >0 .

Решение показательных неравенств

Решить неравенство ( 2 x 2 -2 ) ( 3 x - 1 3 ) ( 5 x 2 - 1 25 ) ( 2 x -1 ) ( 3 x -9 ) ( 4 x 2 -16 ) ≤0 .

Имеем: ( 2 x 2 - 2 1 ) ( 3 x - 3 -1 ) ( 5 x 2 - 5 -2 ) ( 2 x - 2 0 ) ( 3 x - 3 2 ) ( 4 x 2 - 4 2 ) ≤0 . Заменим выражение вида a f (x) - a g (x) , стоящее в каждой скобке, на выражение ( a-1 ) ( f (x) -g (x) ) , имеющее с ним тот же знак: ( 2-1 ) ( x 2 -1 )ċ ( 3-1 ) ( x+1 )ċ ( 5-1 ) ( x 2 +2 ) ( 2-1 ) ( x-0 )ċ ( 3-1 ) ( x-2 )ċ ( 4-1 ) ( x 2 -2 ) ≤0 .

А значит, ( x 2 -1 ) ( x+1 ) ( x 2 +2 ) x( x-2 ) ( x- 2 ) ( x+ 2 ) = ( x+1 ) 2 ( x-1 ) ( x 2 +2 ) x( x-2 ) ( x- 2 ) ( x+ 2 ) ≤0 . Равносильное неравенство имеет вид ( x+1 ) 2 ( x-1 ) x( x-2 ) ( x- 2 ) ( x+ 2 ) ≤0 ,   так как x 2 +2>0 для всех x. Решая это неравенство методом интервалов, получаем

Ответ.  x∈( -∞; - 2 ) ∪{ -1 }∪( 0; 1 ]∈( 2 ; 2 ) .

Решите неравенство 3 ( x+2 ) 2 - 3 x 2 -3 - 9 2x+2 ≤- 1 27 .

Преобразуем неравенство: 3 x 2 ċ 3 4x ċ81- 3 x 2 ċ 1 27 - 3 4x ċ81+ 1 27 ≤0 , 3 4x ċ81( 3 x 2 -1 ) - 1 27 ( 3 x 2 -1 ) =( 3 x 2 -1 ) ( 3 4x+4 - 3 -3 ) ≤0 .

От выражений вида a f ( x ) - a g ( x ) перейдём к выражениям ( a-1 ) ( f ( x ) -g ( x ) ) , которые имеют тот же знак. ( x 2 -0 ) ( 4x-( -7 ) ) ≤0⇔ x 2 ( 4x+7 ) ≤0⇔ x∈( -∞; - 7 4 ]∪{ 0 } .

Ответ.  x∈( -∞; - 7 4 ]∪{ 0} .

Рассмотрим теперь неравенство log a  f ( x ) >0 ( <0 ) , a>0, a≠1 и найдём соответствующие ему условия равносильности. ОДЗ этого неравенства: f (x) > 0.

Если a > 1, то log a  f ( x ) >0 ( <0 ) тогда и только тогда, когда f (x) > 1 в ОДЗ (f (x) < 1), то есть ( a-1 ) ( f ( x ) -1 ) >0 ( <0 ) .

Если 0 < a < 1, то log a  f ( x ) >0 ( <0 ) тогда и только тогда, когда f (x) < 1 в ОДЗ (f (x) > 1), то есть опять ( a-1 ) ( f ( x ) -1 ) >0 ( <0 ) .

Верно и обратное, если ( a-1 ) ( f ( x ) -1 ) >0 ( <0 ) , то при a > 1 имеем f (x) > 1 в ОДЗ (f (x) < 1), а при 0 < a < 1 имеем f (x) < 1 в ОДЗ (f (x) > 1). Таким образом, получаем следующие условия равносильности.

log a  f ( x ) >0 ( <0 ) ⇔ { a>0, a≠1, f ( x ) >0, ( a-1 ) ( f ( x ) -1 ) >0 ( <0 ) .

Отсюда следует, что:

log a  f ( x ) >0  ( <0 ) ⇔{ a>0, a≠1, f ( x ) >0, ( a-1 ) ( f ( x ) -1 ) >0 ( <0 ) .

Знак  log a  f ( x )  совпадает со знаком выражения  ( a-1 ) ( f ( x ) -1 )  в ОДЗ (f (x) > 0).

Рассмотрим теперь неравенство вида log a  f ( x ) > log a  g ( x ) , где a>0, a≠1 . ОДЗ этого неравенства: { f ( x ) >0, g ( x ) >0.

log a  f ( x ) >0 ( <0 ) ⇔{ a>0, a≠1, f ( x ) >0, ( a-1 ) ( f ( x ) -1 ) >0 ( <0 ) .

Перепишем данное неравенство в виде: loga (f (x) – g(x)) > 0. С учетом ОДЗ можно записать соответствующую неравенству систему уравнений:

log a  f ( x ) > log a  g ( x ) ⇔ { f ( x ) >0, g ( x ) >0, ( a-1 ) ( f ( x ) -g ( x ) ) >0.

Знак разности логарифмов  log a  f ( x ) - log a  g ( x )  совпадает со знаком выражения  ( a-1 ) ( f ( x ) -g ( x ) )  в ОДЗ  { f ( x ) >0, g ( x ) >0.

Решение логарифмических неравенств

Решите неравенство ( log 1/2  x-2 ) ( 3 x 2 -9 ) ( x 2 -5x+6 ) ( log 2  x+1 ) ( log 3  x+4 ) ≤0 .

Преобразуем неравенство. ( log 1/2  x-2 ) ( 3 x 2 -9 ) ( x 2 -5x+6 ) ( log 2  x+1 ) ( log 3  x+4 ) = ( log 1/2  x- log 1/2  1 4 ) ( 3 x 2 - 3 2 ) ( x-2 ) ( x-3 ) ( log 2  x- log 2  1 2 ) ( log 3  x- log 3  1 81 ) ≤0 .

От выражений вида log a  f ( x ) - log a  g ( x ) перейдём к произведениям ( a-1 ) ( f ( x ) -g ( x ) ) , которые имеют с ними тот же знак в ОДЗ. ( log 1/2  x- log 1/2  1 4 ) ( 3 x 2 - 3 2 ) ( x-2 ) ( x-3 ) ( log 2  x- log 2  1 2 ) ( log 3  x- log 3  1 81 ) ≤0⇔ { x>0, ( 1 2 -1 ) ( x- 1 4 ) ( x 2 -2 ) ( x-2 ) ( x-3 ) ( x- 1 2 ) ( x- 1 81 ) ≤0; ⇔ ⇔ { x>0, ( 1 2 -1 ) ( x- 1 4 ) ( x 2 -2 ) ( x-2 ) ( x-3 ) ( x- 1 2 ) ( x- 1 81 ) ≤0; ⇔ { x>0, ( x- 1 4 ) ( x- 2 ) ( x+ 2 ) ( x-2 ) ( x-3 ) ( x- 1 2 ) ( x- 1 81 ) ≥0.

Пользуясь методом интервалов, легко получить:

Ответ.  x∈( 0;  1 81 ) ∪[ 1 4 ;  1 2 )∪[ 2 ; 2 ]∪[ 3; +∞ ) .

Решите неравенство log 1/2 ( 6-x - x 2 + 5 4 ) ċ log 5 ( 1 2 ( 6x-2 x 2 - 5 2 ) ) ≥ log 1/5 ( | 1 4 - x 2 |+ 3 2 ) ċ log 2 ( 1 2 ( 6x-2 x 2 - 5 2 ) ) .

Перейдём во всех логарифмах к основанию 2.

log 2 ( 6-x - x 2 + 5 4 ) -1 ċ log 2 ( 3x- x 2 - 5 4 ) log 2  5 ≥ log 2 ( | 1 4 - x 2 |+ 3 2 ) - log 2  5 ċ log 2 ( 3x- x 2 - 5 4 ) 1 ⇔ log 2 ( 3x- x 2 - 5 4 ) { log 2 ( 6-x - x 2 + 5 4 ) - log 2 ( | 1 4 - x 2 |+ 3 2 ) }≤0 .

Переходя к равносильной системе, заменим разность логарифмов в фигурных скобках на выражение, которое имеет с ним тот же знак в ОДЗ. Кроме того, заменим логарифм, стоящий до фигурной скобки, на выражение, с которым он совпадает по знаку в ОДЗ. log 2 ( 3x- x 2 - 5 4 ) { log 2 ( 6-x - x 2 + 5 4 ) - log 2 ( | 1 4 - x 2 |+ 3 2 ) }≤0⇔ ⇔ { 6-x≥0, 3x- x 2 - 5 4 >0⇔ 4 x 2 -12x+5=4( x- 5 2 ) ( x- 1 2 ) <0, 6-x - x 2 + 5 4 = 6-x + 1 2 ( 5 2 -x ) >0, ( 3x- x 2 - 5 4 -1 ) ( 6-x - x 2 + 5 4 -| 1 4 - x 2 |- 3 2 ) ≤0; ⇔ ⇔ { x≤6, x∈( 1 2 ;  5 2 ) , 6-x + 1 2 ( 5 2 -x ) >0, т. к. x∈( 1 2 ;  5 2 ) ( x 2 -3x+ 9 4 ) ( 6-x - x 2 - 1 4 -| 1 4 - x 2 | ) ≥0. ⇔

Так как в ОДЗ x∈( 1 2 ;  5 2 ) выполнено неравенство x- 1 2 >0 , то | 1 4 - x 2 |= 1 2 | 1 2 -x |= 1 2 ( x- 1 2 ) . С учётом сделанного замечания, последняя система в ОДЗ равносильна следующему уравнению: ( x- 3 2 ) 2 ( 6-x - x 2 - 1 4 - x 2 + 1 4 ) = ( x- 3 2 ) 2 ( 6-x -x ) ≥0 .

Так как в ОДЗ x > 0, то знак выражения 6-x -x совпадает со знаком функции 6-x- x 2 . ( x- 3 2 ) 2 ( 6-x -x ) ≥0  ⇔ ОДЗ ( x- 3 2 ) 2 ( 6-x- x 2 ) ≥0⇔ ( x- 3 2 ) 2 ( x-3 ) ( x-2 ) ≤0.

Нанесем решения всех неравенств на числовую прямую и найдем пересечение полученных областей с ОДЗ. Получим:

Ответ.  x∈{ 3 2 }∪[ 2;  5 2 ) .



 

Смотрите также: Математика, Английский язык, Химия, Биология, Физика, География, Астрономия.
А также: библиотека ЭОРов и образовательный онлайн-сервис с тысячами интерактивных работ "Облако знаний".

 

 

 

© Физикон, 1999-2015