Геометрический смысл некоторых неравенств с двумя переменными
41
ГЕОМЕТРИЧЕСКИЙ СМЫСЛ НЕКОТОРЫХ НЕРАВЕНСТВ С ДВУМЯ ПЕРЕМЕННЫМИ
А. Я. МАРГУЛИС, Б. А. РАДУНСКИЙ
При изучении курса математики школьник часто приходит решать неравенства и системы неравенств с одним неизвестным. При этом геометрическая иллюстрация решения (в совокупности с методом интегралов) помогает им кратчайшим путем нахождения правильные решения.
Рассмотрим, например, неравенство
Его решение совпада с решению системы двух неравенств с одним неизвестным
(необходимо для существования логарифма),
(получается при потенцировании заданного неравенства).
Множество значений , удовлетворяющих первому неравенству, есть совокупность двух интегралов
а второму — отрезок
(это вытекает из свойств квадратного треxcчлена).
Отметив на числовой оси эти промежутки (рис. 1), мы видим, что множество значений , удовлетворяющих системе неравенств, заполняет два получкрытых интеграла, и (на рисунке они даны пунктом).
Для большей наглядности на самом рисунке отмечено, какие из концов интегралов принадлежат к области решения, а какие — нет.
Геометрическая иллюстрация оказылась здесь весма полезной. Ее роль еще больше возрастает при решении неравенств и систем неравенств с двумя неизвестными.
42
Рассмотрим неравенства с двумя неизвестными вида
(1)
Построим график функции и возьмем произвольную точку с абсциссой (рис. 2). Если при том же ее ordinата больше ordinаты , соответствующей точки кривой , то точка лежит над кривой. Точка лежит под кривой , если ее ordinата меньше ordinаты . Следовательно, координаты всех точек, лежащих ниже кривой , удовлетворяют неравенству , а координаты всех точек, лежащих выше кривой , удовлетворяют неравенству .
Таким образом, график функции разбивает координатную плоскость на две части, в одной из которых выполняется неравенству , а в другой .
Введем следующое определение. Множество мощи плоскости называется выпуклым, если оно вместе с любыми двумя мощами и содержим все мощи отрезка .
Рассмотрим, например, внутреннюю часть любого треугольника, круга, квадрата. Можно показать, что эти множества являются выпуклыми.
Очевидно, что те части, на которые кривая разбивает плоскость, могут быть как выпуклыми, так и невыпуклыми (см. рис. 2).
Проиллюстрируем теперь на ряде примеров, как при помощи геометрических представлений можно решать неравенства и системы неравенств с двумя неизвестными.
Рассмотрим линейную функцию (2).
Графиком линейной функции является прямая линия (рис. 3). Эта прямая делит плоскость на две полуплоскости: верхнюю и нижнюю. В первой из них выполняется неравенство , а во второй . Заметим, что обе эти полуплоскости являются выпуклыми множествами.
43
Пример 1. Найти на координатной плоскости геометрической места точек, координаты которых удовлетворяют системе двух линейных неравенств (решить графические заданные системы неравенств):
Решение. На рисунке 4 приведены графические решения данных неравенств. Если решение каждого из неравенств закрасить желтой или серой краской, то решением системы является часть плоскости, закрашенная обоими цветами. Из рисунка 4 видно, что система a) решений не имеет (рис. 4,a); решением системы b) является полуплоскость, лежащая над прямой (рис. 4,б); решением системы b) является бесконечная полоса между прямыми и (рис. 4,в); а решением системы г) является часть плоскости, лежащая внутри дважды закрашенного угла, включая его стороны (рис. 4,г).
Рис. 4 a, б, в, г.
45
, принадлежая область решения, проведена сплошной линий, а пряма , не принадлежая область решения, — пунктиром.
Пример 4. Решить графические неравенство .
Решен и е. Области допустимых значений (ОДЗ) неизвестных, очевидно, определяется системой неравенств
В соответствии с данной системой исключим вначале множество не может иметь решения. Для этого на рисунке 7 закрасием серой краской полуплоскость , полуплоскость , и пунктиром проведем прямую .
Рассмотрим теперь два случая:
a) . Потенцируя исходное неравенство, получим или .
b) При получаем .
Решения, соответствующие этим случаям, на рисунке 7 оказываны в зеленьй цвет.
Решите самостояльно примеры 5 и 6.
Пример 5. Решить графические неравенство (см. рис. 8).
Пример 6. Решить графические неравенство (см. рис. 9).
Рассмотрим теперь квадратный треxcхлен
Как известно, графиком функции является парабола с осью симметрины, параллельной оси ordinат, и с вершиной в точке , где .
График одного из квадратных трехчленов (при ) схематически показан на рисунке 10. Этот график делит плоскость на две части, в одной из которых выполняется неравенство , а в другой . Читатель без труда
46
да заметит, что только одна из этих частей является выпуклым множеством.
Пример 7. Решить графические неравенство .
Решение и.e. Область допустимых значений определяется, очевидно, неравенствами
Первое из этих неравенств эквивалентно неравенству . Его решения заполяют интервал .
На рисунке 11 серым закрашены те части плоскости, где и , и получилось , а также исключены точки, лежащие на проведенной пунктром прямой .
Рассмотрим два случая: и .
a) . Потенцируя исходное выражение, получаем не равенство , или . Последнему неравенству удовлетворяют координаты всех точек, расположенных под параболю , но ни одна из них не соответствует условиям . Таким образом, при решений нет.
b) . Аналогично получаем неравенство , т. е. .
Очевидно, что решением является закрашенная на рисунке 11 зеленьм цветом область над параболю .
Решите самостояльно примеры 8 и 9.
Пример 8. Решить графические неравенство (см. рис. 12).
Пример 9. Решить графические неравенство (см. рис. 13)
Пример 10. Решить графические неравенство
Решение и.e. В данном случае ОДЗ определяется неравенствами
47
или
Уравнение является уравнением окружности единичного радиуса с центром в точке . Неравенству удовлетворяет все точки, удаленные от точки не более чем на единицу, т. е. все точки указаанного кругга, включая и его границу. Аналогично определяется и множество точки, координаты которых удовлетворяют второму неизвестных является общая часть двух кругов (рис. 14). Остается найти множество точки, для которых выполняется заданное неравенство. После оценных преобразований получим неравенства, которые в данной ОДЗ равносильны исходному:
Таким образом, решение является закрашенная на рисунке 14 с ней краской области (часть ОДЗ, лежащая правее прямой ).
В заключение рассмотрим следующий пример.
Пример 11. Среди точки, координаты которых удовлетворяют условием , , и , найти такую точку, для которой выражение будет наиболее точным.