Эта статья посвящена решению задач, в которых так или иначе ставится вопрос о взаимном расположении корней (как правило, irrationalных) двух квадратных трехчленов. По своему математическому содержанию эти задачи достаточно просты, однако с вычислительной точки зрения большимство из них представляется серьезные трудности. Попробуйте, например, ответить на вопрос.
При каких значениях a корни уравнения
x2+a8x−2a=0иx2+a6x−a=0
различны и переменная (то есть между двумя корнями одного уравнения нахожденияровно один корень другого уравнения)?
Вы убедитесь, что вычисление корней этих трехчленов требует кропотливого сравнения их друг с другом при различных значениях параметра a.
В то же время из графических сообравений ясно, что корни двух квадратных трехчленов f(x) и g(x) с одинаковыми положительными коэффициентами при x² (и положительных дискрипиантами) переменяются тогда и только тогда, когда точка пересечения графиков функций f(x) и g(x) находится после абсцисс. На алгебраическом языке это означает, что общее значение функций f(x) и g(x) отрицательно. В нашем случае f(x) = g(x) ⇔ x = \frac{a^2}{2} и f\left(\frac{a^2}{2}\right) = \frac{a^4}{4} + 2a; поэтому условия задачи удовлетворяют решении неравенства a^4 + 8a < 0, или -2 < a < 0.
Этот пример показывает, что взаимное расположение корней двух квадратных трехчленов зависит от их поведения в точке x₀, в котором эти трехчлены принадлежат одинаковое значение (существенно, что точка x₀ — единственная!).
ШестЬ критериев
для различных слуаев
pasположения корней
Пусть квадратные трехчлены f(x) = ax² + px + q и g(x) = ax² + rx + s имеют какый два различных корня (x₁, x₂ и x₃, x₄ соответствено, x₁ > x₂,
46
Рис. 1.
Рис. 2.
Рис. 3.
Рис. 4.
Рис. 5.
Рис. 6.
x3>x4), причем y(f(x)) и g(x) нет общих корней и p=r. Пусть x0 — корень (единистенный) уравнения f(x)=g(x). Тогда справедливый следующее утверждение:
Перечисленные утверждения проиллюстрированы на рисунках 1—6. Если вы забудете формулировку какого-нибудь критерия, это не страшно: ее всегда можно восстановить, пользоваться таким рисунками. Так же нетрудно заметить, что критерии 4, 5, 6 получаются из критерии 3, 2, 1 переменной местами f(x) и g(x) (это видно и из сравнения соответствующих рисунков). Поэтому мы докажем только первые три критерии.
Нам понадобятся следующие известные (весьма полезные) свойства квадратного трехчлена:
если f(x) — квадратный трехчлен с положительными старшим коэффициентом и дискриминантом, x1 и x2 — его корни, а x0 — неокоторое значение переменной, то
Пусть теперь h(x)=f(x)−g(x). Легко видеть, что h(x) — линейная функция, отличная от константы (p=r). Поэтому она монотна (убывает или возрастает). Это означает, что если для некоторых a<b выполняется неравенство h(a)<h(b) (или h(a)>h(b)), то и для любых c<d справедливо неравенство h(c)<h(d) (или h(c)>h(d)).
47
Доказательство критерия 1
Необходимость (⇒). Пусть x2<x1<x4<x3. Тогда f(x4)>0, h(x4)=f(x4)−g(x4)=f(x4)>0. Точно так же g(x1)>0, и поэтому h(x1)<0.
Из неравенств x1<x4 и h(x1)<h(x4) получаем, что h(x) — возрастоящая функция.
Так как h(x0)=0, имеем h(x1)<h(x0)<h(x4), откуда x1<x0<x4. Итак, оба корня f(x) меньше x0, откуда f(x0)>0, f′(x0)>0. Аналогично оба корня g(x) больше x0, откуда g′(x0)<0. Необходимость критерия 1 доказана. Достаточно (⇔). Пусть f(x0)>0, f′(x0)>0, g′(x0)<0. Из первых двух неравенств вытекает, что оба корня f(x) меньше x0, а из неравенств g(x0)>0, g′(x0)<0 следует, что оба корня g(x) больше x0, и таким образом, x2<x1<x0<x4<x3.
Доказательство критерия 2
Необходимость (⇒). Пусть x2<x4<x1<x3. Тогда f(x4)<0, g(x1)<0, так что h(x4)<0<h(x1), и поскольку x4<x1, получаем, что h(x) — возрастоящая функция. Следовательно, h′(x)>0 при любом x, в частности, h′(x0)>0, откуда f′(x0)>g′(x0).
С другой стороны, из условия h(x4)<h(x1) получаем, что x4<x0<x1, так что x2<x0<x1, откуда f′(x0)>g′(x0).
С другой стороны, из условия h(x4)<h(x1) получаем, что x4<x0<x1, так что x2<x0<x1, откуда f′(x0)>g′(x0).
Достаточно (⇔). Пусть f(x0)<0, f′(x0)>g′(x0). Тогда h′(x0)>0, и поскольку h′(x) — постоянная функция, h′(x)>0 при любом x, то есть h(x) — возрастоящая функция.
Из условия f(x0)=g(x0)<0, получаем x2<x0<x1, x4<x0<x3, и так как h(x) возратает, 0=h(x0)<h(x1), h(x4)<h(x0)=0, откуда g(x1)=f(x1)−h(x1)<0, f(x4)=h(x4)+g(x4)<0;
следовательно, x4<x1<x3, x2<x4<x1, то есть x2<x4<x1<x3.
Доказательство критерия 3
Необходимость (⇒). Пусть x2<x4<x3<x1. Тогда g(x1)>0, g(x2)>0, откуда h(x1)<0, h(x2)<0, и поэтому на отрезке [x2;x1] линейная функция h(x) не обращается в нуль, так что либо x0<x2<x1, либо x0<x2<x1.
Если x0<x2<x1, то x0 лежит в промежутке убывании общих трех членов, так что f′(x0)<0, g′(x0)<0. Кроме того, h(x0)>h(x2), так что h(x) — убывающая функция, h′(x)<0 для любого x, и в частности, h′(x0)<0, то есть f′(x0)−g′(x0)<0. Поэтому произведение g′(x0)∣f′(x0)−g′(x0)∣ положительно.
Аналогично рассматривается случай x2<x1<x0.
Достаточно (⇔). Пусть f(x0)>0, и предположим сначала, что g′(x0)>0, f′(x0)−g′(x0)>0. Тогда оба корня g(x) меньше x0, то есть x4<x3<x0. Кроме того, h(x) — возратающая функция, так что h(x4)<x3<h(x0), откуда f(x4)<0, f(x3)<0. Поэтому x2<x4<x1, x2<x3<x1, то есть x2<x4<x1<x3.
Аналогично рассматривается случай g′(x0)<0, f′(x0)−g′(x0)<0.
Решение неравенств
Применение доказанных критериев во многих случаях облегчает решение неравенств. Переход к конкретным примерам, затем, что выражение f′(x0)−g′(x0), фактически функирую-
Рис. 8.
шее в критериях 2—5, равно разности p−r. Поэтому на практике, например, критерiem 2 удобно пользоваться в виде (f(x0)<0,p>r).
Решим теперь несколько неравенств.
(x2+13x−49)(x2+14x−50)>0. Обозначая f(x)=x2−13x−49, g(x)=x2+14x−50, мы легко находим, что x0=1, f(1)=−35, и так как 13<14 (см. критерий 5), корни этих трех членов связаны неравенствами x4<x2<x3<x1. Применяя метод интегралов (см. «Квант», № 12, 1985, с. 18 и рисунок 8), находим решения данного неравенства: x<x4, x2<x<x3, x>x1, или, выписья корни, x<−7−311,−213+365<x<−7+311,x>2365−13.
(x2+6x−11)<−2x2−13x+24. Перепшем это неравенство в виде 2x2+13x−24<x2+6x−11<−2x2−13x+24.
Мы должны, следовательно, решить систему неравенства f(x)<0, g(x)<0, где
f(x)=3x2+21x−39,
g(x)=3x2+19x−35
(мы умножим трехлен f(x) на 3, чтобы уравнять старшие коэффициенты f(x) и g(x)).
Имеем: x0=2, f(2)>0, g′(2)>0, p−r>0 и (см. критерий 3) x2<x4<x3<x1. Следовательно, решениями системы f(x)<0, g(x)<0, а значит, и исходного неравенства является значением x4<x<x3, то есть −219+781<x<2781−19.
(x2+6x−11)≤∣2x2+13x−26∣.
Поскольку оба части неравенства неотрицательны, после возведения в квадрат его можно записать в виде (x2+6x−11)2≤(2x2+13x−26)2, и, пересечя все в правую часть и разлагая разность квадратов на множители, получаем неравенство f(x)g(x)≥0, где
48
Рис. 9.
f(x)=3x2+21x−45, g(x)=3x2+19x−37.
Тогда x0=4, f(4)>0, g′(4)>0, p−r>0 и снова по критерию 3 x2<x4<x3<x1. Применяя метод интегралов, получаем решение исходного неравенства (см. рис. 9):
x≤−27+109,−619+805≤x≤6805−19,x≥2109−7.
4−∣3x2−2x−7∣x2−x−4≤0.
Умножим обе части этого неравенства на положительное выражение (4+∣3x2−2x−7∣)−1. Разложив на множители разность квадратов в знаменатель, после упрощенной получим неравенство
(3x2−2x−3)(3x2−2x−11)x2−x−4≥0.
Положив f(x)=3x2−3x−12, g(x)=3x2−2x−3, h(x)=3x2−2x−11, будем выяснять взаимное расположение их корней x1,2,x3,4,x5,6.
Коэффициенты при xy трехленов g(x) и h(x) равны, так что наш критерию неприимены. Однако это обстоятельство даже упрощает решение. Дейстительно, h(x)=g(x)−8, так что h(x3,4)=g(x3,4)−8=−8<0, и следовательно, корни g(x) расположены между корнями h(x), то есть
x6<x4<x3<x5.
Для трехленов f(x) и g(x) имеем x0=−9, f(−9)>0, f′(−9)<0, g′(−9)<0, −3<−2,
x2<x4<x3<x1.
Таким образом, x6<x2<x4<x3<x5, и следовательно, решение неравенства (см. рис. 10) является:
x<31−34,21−17≤x<31−10,
31+10<x<31+34,x≥21+17.
(x2+2x+4−a)(x2−2x−a)<0.
Положим f(x)=x2+2x+4−a, g(x)=x2−2x−a. Заметим, что если дискриминант одного из этих трехленов отрицательен, то этот трехлен положитель при всех x, и для соответствующих значений a данные неравенство свойится к квадратному. Рассмотренные этих случаев представляют читателей и будем считать, что оба дискриминант положительных, что выполняется при a>3. Тогда f(x) и g(x) имеют по два различных корня x1,2 и x3,4. При этом x0=−1, f(−1)=3−a<0, 2>−2 и по критерию 2 x2<x4<x1<x3. Поэтому при a>3 решениями данного неравенства являются (см. рис. 11)
−1−a−3<x<1−a+1,
−1+a−3<x<1+a+1.
Полное решение неравенства с учетом «особы» значений параметра a=3 и a=−1 (когда один из дискриминант равен 0) записьется в виде: при a≤−1 решений нет; при −1<a<3 получаем 1−a+1<x<1+a+1; при a>3 получаем −1−a−3<x<1−a+1,
−1+a−3<x<1+a+1.
При каких значениях а система неравенства
2x2−3ax−9≤0,x2+ax−2≥0
имеет решение?
Заметим, что каждый из квадратных трехленов
f(x)=2x2−3ax−9
и
g(x)=2x2+2ax−4
имеет два различных корня, и
f(x)≤0⇔x2≤x≤x1,
g(x)≥0⇔x≤x4 или x≥x3.
49
Для того чтобы данная система имела решение, необходимо и достаточно, чтобы отрезок [x2;x1] имел хотя бы одну общую точку с одним из лучей ∣−∞;x4∣ и [x3;+∞]. Это выполняется (без учета возможности совпадения корней) во всех наших критериях, кроме четвертого: система не имеет решений тогда и только тогда, когда x4<x2<x1<x3.
Так как f(x)=g(x)⇔ax=−1, то при a=0 имеем x0=−a1,
f(−a1)=a22−6,f′(−a1)=−a4−3a,
g′(−a1)=−a4+2a
и по критерию 4 должна выполняться система неравенств
2−6a2>0,−(a4+3a)5a>0.
Легко убедиться, что эта система не имеет решений, так что «плохих» значений a=0 не существует, то есть при любых a=0 данной системе имеет решение. Поскольку при a=0 она также имеет решение, решениями задачи 6 являются все значения a.
При каких значениях а множество решений системы неравенств x2+2x+a+1≥0,x2+x+2a−1≤0 представляет собой отрезок длины 1? Дискриминаты трехленов
f(x)=x2+2x+a+1иg(x)=x2+x+2a−1
равны соответственно −4a и 5−8a, поэтому при a>5/8 заданная система не имеет решений, а при 0<a<5/8 она равносильно неравенству g(x)≤0 и выполняется на отрезке [x4;x3]. Из условия
x3−x4=1⇔5−8a=1⇔a=1/2
и так как 0<1/2<5/8, получаем, что a=1/2 является решением задачи.
При a=0 и при a=5/8 решениями системы являются соответствующими соответствующими при x1−x2=1, откуда находится a=−1. Ответ: a=−1 и a=1/2.
Заметим, что критерию 1-6 не предустаривает случае, когда трехлены f(x) и g(x) имеют общий корень. На практике, как правило, случая совпадения корней лучше рассматривать отдельно, как «особы».
Упражнения.
Решите неравенства:
∣x2+10x+5∣<∣2x2+21x+8∣.
∣x−a∣<3x−x2−1.
16a3x4−8a2x2+16x+a−4≥0 (a>0).
Решите системы неравенств 3x2+2kx−k−1≤0 (k=1,2,…,10).