Квант

46

ЕЩЕ РАЗ ОБ УРАВНЕНИЯХ
С ПАРАМЕТРАМИ

Вы уже не раз встречались с уравнениями и неравенствами, содержащими один параметр. А если параметров больше, чем один? Естественно ожидать, что больше станет и число возможных случаев, подлежащих рассмотрению. Ни один из возможных вариантов не должен быть пропущен. Как это сделать? Единого метода, годного для любых уравнений и неравенств с параметрами, нет. В этой статье мы на примерах показем, как решаются уравнения с двумя параметрами.

Общий вид уравнения относительно xx с двумя параметрами a,ba, b таков:

F(x;a;b)=0.F(x; a; b) = 0.

(1)

Уравнение (1) при заданной функции FF — это, по сути дела, бесчисленное множество уравнений, каждое из которых определяется упорядоченной парой чисел (a;b)(a; b).

Как известно, такую упорядоченную пару можно интерпретировать как точку на координатной плоскости. Это дает возможность установить взаимно однозначное соответствие между уравнениями вида (1) при заданной функции FF и точками плоскости.

Для этого введем систему координат aObaOb и условимся какдому уравнение вида (1) ставить в соответствие точку плоскости aObaOb с координатами (a;b)(a; b), и наборот. Извorem эту плоскость плоскостью параметров. Такое соответствие несколько необъчно (уравнение соответствует точке), но оно поможет нам в каждом конкретном случае найти представить себе множество допустимых значений параметров и не пропустить ни одного случая: какдой точке плоскости параметров соответствует уравнение вида (1) и должны соответствовать определенный ответ.

Пример 1. Решить уравнение

2a+ba+x−2a−ba−x=2ab\frac{2a + b}{a + x} - \frac{2a - b}{a - x} = \frac{2a}{b}

(2)

Решение. Заметим сразу, что при b=0b = 0 уравнение (2) не имеет смысла, то есть для любой пары чисел вида (a;0)(a; 0), где aa — любое действительное число, решей нет (красная линия на рисунке 1).

Пусть b≠0b \neq 0. Найдем ОДЗ: x≠±ax \neq \pm a, освободимся от знаменателя и приведем подобные члены. Получим

a(x2−2bx+b2−a2)=0.a(x^2 - 2bx + b^2 - a^2) = 0.

(3)

Если a=0a = 0, то уравнение (3) имеет свои решения любые значения xx. Из них для уравнения (2) запрещены значения x=±ax = \pm a, то есть x=0x = 0.

Таким образом, для любой пары чисел вида (0;b)(0; b), где b≠0b \neq 0, уравнение (2) имеет свои решения любые числа, кроме 0 (зеленая линия). Пусть теперь a≠0a \neq 0. Решив уравнение x2−2bx+b2−a2=0x^2 - 2bx + b^2 - a^2 = 0, получаем x1=b+ax_1 = b + a, x2=b−ax_2 = b - a.

*) В виде (1) это уравнение таково: 2a+ba+x−2a−ba−x−2ab=0.\frac{2a + b}{a + x} - \frac{2a - b}{a - x} - \frac{2a}{b} = 0.

47

Можно ли считать, что при любых a,ba, b, отличных от нуля, найденные значения x1x_1 и x2x_2 являются корнями уравнения (2)? Нет, либо может оказаться так, что при некоторых значениях параметров x1x_1 или x2x_2 совпадет с запрещенными значениями ±a\pm a.

Итак, осталось выяснить, когда x1=±ax_1 = \pm a или x2=±ax_2 = \pm a. Если x1=ax_1 = a или x2=−ax_2 = -a, то b=0b = 0, но мы рассматрииваем случай b≠0b \neq 0. Значит, x1≠ax_1 \neq a, x2≠−ax_2 \neq -a.

Пусть x1=−ax_1 = -a, то есть b+a=−ab + a = -a, откуда b=−2ab = -2a. Но тогда x2=−3ax_2 = -3a. Таким образом, если параметры aa и bb таковы, что b=−2ab = -2a, то уравнение (2) имеет единственный корень x=−3ax = -3a (голубая линия на рисунке 1). Пусть x2=ax_2 = a, то есть b−a=ab - a = a. Это возможно при b=2ab = 2a.

Но тогда x1=3ax_1 = 3a. Таким образом, если параметры aa и bb таковы, что b=2ab = 2a, то уравнение (2) имеет единственный корень x=3ax = 3a (желтая линия).

Подводя итоги, получим следующий ответ:

если b=0b = 0, aa — любое действительное число, то решений нет;
если b≠0b \neq 0, a=0a = 0, то xx — любое действительное число, отличное от нуля;
если b=−2ab = -2a, b≠0b \neq 0, то x=−3ax = -3a;
если b=2ab = 2a, b≠0b \neq 0, то x=3ax = 3a;
если a,b≠0a, b \neq 0, b≠±2ab \neq \pm 2a, то x1=b+ax_1 = b + a, x2=b−ax_2 = b - a.

Пример 2*). Решить уравнение

a2−x+b2−x=a+b.\sqrt{a^2 - x} + \sqrt{b^2 - x} = a + b.

(4)

Решение. ОДЗ определяется системой неравенств

x≤a2,x≤b2,или x≤min⁡{a2;b2}.x \leq a^2, \quad x \leq b^2, \quad \text{или } x \leq \min\{a^2; b^2\}.

Левая часть уравнения (4) неотрицательна, а потому при a+b<0a + b < 0 данное уравнение не может иметь решений. На рисунке 2 это отмечено тем, что получилось под прямой b=−ab = -a окрашена в розовый цвет.

Рассмотрим теперь случай a+b≥0a + b \geq 0. После оценных преобразований получим

x(a+b)2=0x(a + b)^2 = 0

(5)

Рассмотрим два случая:

I слуа́й: a+b>0a + b > 0. Тогда x=0x = 0. При этом условия x≤a2x \leq a^2 и x≤b2x \leq b^2 выполняются автоматически, чего нельзя сказать про условие x≥−abx \geq -ab. Если ab>0ab > 0, то это условие, оченьindo, выполняено. Если же ab<0ab < 0, то −ab>0-ab > 0 и x=0<−abx = 0 < -ab. Поэтому на рисунке 2 в зонах II и III (где a+b>0a + b > 0, но ab<0ab < 0) решений нет. Таким образом, x=0x = 0 является корнем

*) Этот пример взят из книги Н. П. Антонов и др. «Сборник задач по элементарной математике» (М., «Наука», 1969), где он решен неверно.

48

Рис. 2.

Уравнение (4), только если a+b>0a + b > 0 и ab≥0ab \geq 0, то есть для точек первого четыртин плоскости параметров, включая и точки ее границы (зона II на рисунке 2).

П случай: a+b=0a + b = 0. В этом случае уравнение (5) обращается в точдество x⋅0=0x \cdot 0 = 0, но это вовсе не означает, что любое действительное число является корнем исходного уравнения (4) (объясните сами, почему так).

При a+b=0a + b = 0 последовательно находим b=−ab = -a, b2=a2b^2 = a^2, и уравнение (4) принимает вид 2a2−x=02\sqrt{a^2 - x} = 0, откуда x=a2=b2x = a^2 = b^2, и все условия при этом, очевидно, выполнены. На рисунке 2 этот ответ указаан около синей прямой b=−ab = -a.

Объединяя все полученные результаты, получаем ответ:
если a+b>0a + b > 0 и ab≥0ab \geq 0, то x=0x = 0;
если a+b=0a + b = 0, то x=a2x = a^2;
если a+b<0a + b < 0 или a+b>0a + b > 0 и ab<0ab < 0, то решений нет.

Пример 3. Решить систему уравнений

tgx+tgy=a,x+y=b.tg x + tg y = a, \quad x + y = b.

Решение. Отметим ОДЗ: x,y≠π2+nπx, y \neq \frac{\pi}{2} + n\pi (здесь и далее k,l,m,n=0;±1;…k, l, m, n = 0; \pm 1; \ldots). Преобразуем первое уравнение системы к виду sin⁡(x+y)cos⁡xcos⁡y=a\frac{\sin(x + y)}{\cos x \cos y} = a и далее с учетом того, что x+y=bx + y = b, получим

acos⁡xcos⁡y=sin⁡b.a \cos x \cos y = \sin b.

I случай: a=0a = 0. Он, естественно, распадается на два варианта: I, a) a=0a = 0, sin⁡b=0\sin b = 0; I, 6) a=0a = 0, sin⁡b≠0\sin b \neq 0.

Если sinb=0sin b = 0, то есть b=mπb = m\pi, то уравнение (7) удовлетворяет любые пары (x;y)(x; y), а система (6) — любые пары (x;y)(x; y), удовлетворяющие следующим условиям:

x≠π2+nπ;y≠π2+nπ;x+y=b.x \neq \frac{\pi}{2} + n\pi; \quad y \neq \frac{\pi}{2} + n\pi; \quad x + y = b.

Если sinb≠0sin b \neq 0, то есть b≠mπb \neq m\pi, то уравнение (7), а вместе с ним и система (6) не имеет решения.

II случай: a≠0a \neq 0. Тогда уравнение (7) преобразуется к виду

cos⁡xcos⁡y=sin⁡ba и, далее,\cos x \cos y = \frac{\sin b}{a} \text{ и, далее,}

cos⁡(x+y)+cos⁡(x−y)=2sin⁡ba.\cos (x + y) + \cos (x - y) = \frac{2 \sin b}{a}.

Если снова учесть, что x+y=bx + y = b, то уравнение (8) можно переписать так:

cos⁡(x−y)=2sin⁡ba−cos⁡b.\cos (x - y) = \frac{2 \sin b}{a} - \cos b.

49

Дальнейшие расчужения зависит от оценки правой части уравнения (9) :
если ∣2sin⁡ba−cos⁡b∣>1\left| \frac{2 \sin b}{a} - \cos b \right| > 1, то уравнение (9), а с ним и система (6) не имеет решения; если же ∣2sin⁡ba−cos⁡b∣≤1\left| \frac{2 \sin b}{a} - \cos b \right| \leq 1, то
x−y=±arccos⁡(2sin⁡ba−cos⁡b)+2kπ.x - y = \pm \arccos \left( \frac{2 \sin b}{a} - \cos b \right) + 2k\pi.
Решив последнее уравнение в системе с уравнением x+y=bx + y = b, получаем
{x=b2±12arccos⁡(2sin⁡ba−cos⁡b)+kπ,y=b2±12arccos⁡(2sin⁡ba−cos⁡b)−kπ.\begin{cases} x = \frac{b}{2} \pm \frac{1}{2} \arccos \left( \frac{2 \sin b}{a} - \cos b \right) + k\pi, \\ y = \frac{b}{2} \pm \frac{1}{2} \arccos \left( \frac{2 \sin b}{a} - \cos b \right) - k\pi. \end{cases}
Нам остается лишь выяснить, не может ли случайся так, что при некоторых значениях параметров найденные значения x,yx, y совпадут с запрещенными значениями π2+nπ\frac{\pi}{2} + n\pi. Нетрудно видеть, что это произойдет в том случае, когда b±arccos⁡(2sin⁡ba−cos⁡b)=π+2lπb \pm \arccos \left( \frac{2 \sin b}{a} - \cos b \right) = \pi + 2l\pi. Последнее равенство перепишем так: ±arccos⁡(2sin⁡ba−cos⁡b)=π−b+2lπ\pm \arccos \left( \frac{2 \sin b}{a} - \cos b \right) = \pi - b + 2l\pi, и возьмем от обеих частей косинус. Получим
2sin⁡ba−cos⁡b=−cos⁡b,sin⁡b=0,b=mπ.\frac{2 \sin b}{a} - \cos b = -\cos b, \quad \sin b = 0, \quad b = m\pi.
Итак, если b=mπb = m\pi и a≠0a \neq 0, то система (6) не будет иметь решения. Объединия все полученные результаты, записем ответ:
если a=0,b=mπa = 0, b = m\pi, то решением системы (6) служит любая пара (x,y)(x, y) также, что x≠π2+nπ,y≠π2+nπ,x+y=bx \neq \frac{\pi}{2} + n\pi, \quad y \neq \frac{\pi}{2} + n\pi, \quad x + y = b;
если a=0,b≠mπa = 0, b \neq m\pi, или a≠0,b=mπa \neq 0, b = m\pi, то решений нет;
если a≠0,b≠mπa \neq 0, b \neq m\pi, но ∣2sin⁡ba−cos⁡b∣≤1\left| \frac{2 \sin b}{a} - \cos b \right| \leq 1, то решений нет.

Мы ограничились рассмотрением примеров только с двумя параметрами. Дальнейшее уведомление числа параметров, не давая ничего принципиального нового, приводит лишь к уведомлению технических трудностей.

Упражнения

  1. Решить следующие уравнения:
  2. Решить систему уравнений:

a) a2−a2−b22x−x2=b2(x+2)x−2a^2 - \frac{a^2 - b^2}{2x - x^2} = \frac{b^2 (x + 2)}{x - 2};
b) a−x−x−ba−x+x−b=a−ba+b−2x\frac{\sqrt{a - x} - \sqrt{x - b}}{\sqrt{a - x} + \sqrt{x - b}} = \frac{a - b}{a + b - 2x};
b) tgaxsin⁡bx=0\frac{\mathrm{tg} ax}{\sin bx} = 0.