6.5: Розв'язування квадратичних нерівностей
Цілі навчання
- Перевірте розв'язки квадратичних нерівностей однією змінною.
- Зрозумійте геометричну залежність між розв'язками квадратичних нерівностей та їх графіками.
- Розв'яжіть квадратичні нерівності.
Розв'язки квадратичних нерівностей
Квадратична нерівність 15 - це математичне твердження, яке пов'язує квадратичний вираз як менший або більший за інший. Нижче наведено кілька прикладів квадратичних нерівностей, розв'язаних у цьому розділі.
x2−2x−11≤0 | 2x2−7x+3>0 | 9−x2>0 |
Розв'язок квадратичної нерівності - це дійсне число, яке видасть справжнє твердження при заміні змінної.
Приклад6.5.1:
Є−3−2, і−1 рішення дляx2−x−6≤0?
Рішення
Підставити задане значення в forx і спростити.
x2−x−6≤0x2−x−6≤0x2−x−6≤0(−3)2−(−3)−6≤0(−2)2−(−2)−6≤0(−1)2−(−1)−6≤09+3−6≤04+2−6≤01+1−6≤06≤0✗0≤0✓−4≤0✓
Відповідь:
−2і−1 є рішеннями і не−3 є.
Квадратичні нерівності можуть мати нескінченно багато розв'язків, одне рішення або відсутність рішення. Якщо розв'язків нескінченно багато, графуйте розв'язку, встановлене на числовому рядку і/або висловіть рішення за допомогою інтервальних позначень. Графік функції, визначеноїf(x)=x2−x−6 знайденим у попередньому прикладі, ми маємо

Результат оцінки для будь-якогоx -значення буде від'ємним, нульовим або позитивним.
f(−3)=6Positivef(x)>0f(−2)=0Zerof(x)=0f(−1)=−4Negativef(x)<0
Значення в області функції, що відокремлюють області, що дають позитивні або негативні результати, називаються критичними числами 16. У випадку квадратичної функції критичними числами є коріння, іноді звані нулями. Наприклад,f(x)=x2−x−6=(x+2)(x−3) має коріння−2 і3. Ці значення пов'язують області, де функція є додатною (надx віссю -) або від'ємною (нижчеx -осі).

Томуx2−x−6≤0 має рішення де−2≤x≤3, використовуючи інтервальні позначення[−2,3]. Крім того,x2−x−6≥0 має рішення деx≤−2 абоx≥3, використовуючи інтервальні позначення(−∞,−2]∪[−3,∞).
Приклад6.5.2:
За даними графікаf визначають розв'язки дляf(x)>0:

Через сувору нерівність набір розв'язків затінюється відкритою крапкою на кожній з меж. Це вказує на те, що ці критичні числа фактично не включені в набір рішень. Цей набір рішень може бути виражений двома способами,
{x|−4<x<2}SetNotation(−4,2)IntervalNotation
У цьому підручнику ми продовжимо подавати відповіді в інтервальних позначеннях.
Відповідь:
(−4,2)
Вправа6.5.1
За даними графікаf визначають розв'язки дляf(x)<0:

- Відповідь
-
(−∞,−4)∪(2,∞)
www.youtube.com/В/ККБАОМ8Бубо
Розв'язування квадратичних нерівностей
Далі ми окреслимо техніку, яка використовується для розв'язання квадратичних нерівностей без графіків параболи. Для цього ми використовуємо знакову діаграму 17, яка моделює функцію, використовуючи числову лінію, яка представляєx -вісь та знаки,(+ або−) для вказівки, де функція є позитивною чи негативною. Наприклад,

Знаки плюса вказують на те, що функція позитивна на регіон. Негативні ознаки вказують на те, що функція негативна на регіон. Межами виступають критичні числа,−2 і3 в даному випадку. Знакові діаграми корисні, коли детальне зображення графіка не потрібно і широко використовуються в математиці вищого рівня. Етапи розв'язання квадратичної нерівності з однією змінною викладені в наступному прикладі.
Приклад6.5.3:
Вирішити:−x2+6x+7≥0.
Рішення
Важливо відзначити, що ця квадратична нерівність знаходиться в стандартній формі, з нулем на одній стороні нерівності.
Крок 1: Визначте критичні цифри. Для квадратичної нерівності в стандартній формі критичні числа є корінням. Тому встановіть функцію рівну нулю і вирішуйте.
−x2+6x+7=0
−(x2−6x−7)=0
−(x+1)(x−7)=0
x+1=0 or x−7=0x=−1x=7
Критичними числами є−1 і7.
Крок 2: Створіть діаграму знаків. Оскільки критичні числа пов'язують області, де функція є позитивною або від'ємною, нам потрібно перевірити лише одне значення в кожній області. У цьому випадку критичні числа розділяють числовий рядок на три області, і ми вибираємо тестові значенняx=−3,x=0, іx=10.

Значення тесту можуть відрізнятися. Насправді нам потрібно лише визначити ознаку(+ або−) результат при оцінціf(x)=−x2+6x+7=−(x+1)(x−7). Тут ми оцінюємо за допомогою факторної форми.
f(−3)=−(−3+1)(−3−7)=−(−2)(−10)=−Negativef(0)=−(0+1)(0−7)=−(1)(−7)=+Positivef(10)=−(10+1)(10−7)=−(11)(3)=−Negative
Оскільки результат оцінки для−3 був негативним, ми ставимо негативні знаки вище першого регіону. Результат оцінки для0 був позитивним, тому ми розміщуємо позитивні знаки вище середньої області. Нарешті, результат оцінки для10 був негативним, тому ми розміщуємо негативні знаки над останньою областю, і діаграма знаків завершена.

Крок 3: Використовуйте діаграму знаків, щоб відповісти на питання. У цьому випадку нас просять визначити деf(x)≥0, або де функція додатна або нуль. З діаграми знаків ми бачимо, що це відбувається, колиx -значення включені між−1 і7.

Використовуючи інтервальне позначення, затінена область виражається як[−1,7]. Графік не обов'язковий, однак для повноти він наведений нижче.

Дійсно функція більше або дорівнює нулю, вище або наx -осі, дляx -значень в заданому інтервалі.
Відповідь:
[−1,7]
Приклад6.5.4:
Вирішити:2x2−7x+3>0.
Рішення
Почніть з знаходження критичних чисел, в даному випадку коренівf(x)=2x2−7x+3.
2x2−7x+3=0(2x−1)(x−3)=0
2x−1=0 or x−3=02x=1x=3x=12
Критичними числами є12 і3. Через сувору нерівність > ми будемо використовувати відкриті точки.

Далі вибираємо тестове значення в кожному регіоні і визначаємо знак після оцінкиf(x)=2x2−7x+3=(2x−1)(x−3). Тут вибираємо тестові значення−1,2, і5.
f(−1)=[2(−1)−1](−1−3)=(−)(−)=+f(2)=[2(2)−1](2−3)=(+)(−)=−f(5)=[2(5)−1](5−3)=(+)(+)=+
І ми можемо заповнити таблицю знаків.

Питання просить нас знайтиx -значення, які дають позитивні результати (більше нуля). Тому затінюйте в регіонах з+ над ними. Це набір рішень.

Відповідь:
(−∞,12)∪(3,∞)
Іноді квадратична функція не фактор. У цьому випадку ми можемо скористатися квадратичною формулою.
Приклад6.5.5:
Вирішити:x2−2x−11≤0
Рішення
Знайдіть критичні цифри.
x2−2x−11=0
Визначтеa,b, іc для використання в квадратичній формулі. Осьa=1,b=−2, іc=−11. Підставте відповідні значення в квадратичну формулу, а потім спростіть.
x=−b±√b2−4ac2a=−(−2)±√(−2)2−4(1)(−11)2(1)=2±√482=2±4√32=1±2√3
Тому критичними числами є1−2√3≈−2.5 і1+2√3≈4.5. Використовуйте замкнуту крапку на цифрі, щоб вказати, що ці значення будуть включені до набору розв'язків.

Тут ми будемо використовувати тестові значення−5,0, і7.
f(−5)=(−5)2−2(−5)−11=25+10−11=+f(0)=(0)2−2(0)−11=0+0−11=−f(7)=(7)2−2(7)−11=49−14−11=+
Після завершення знакової діаграми затінюйте значення, де функція від'ємна, як зазначено в питанні(f(x)≤0).

Відповідь:
[1−2√3,1+2√3]
Вправа6.5.2
Вирішити:9−x2>0.
- Відповідь
-
(−3,3)
www.youtube.com/В/7ГМ8 Гуваса
Може бути так, що критичних цифр немає.
Приклад6.5.6:
Вирішити:x2−2x+3>0.
Рішення
Щоб знайти критичні числа вирішувати,
x2−2x+3=0
Підставляємоa=1,b=−2, аc=3 в квадратичну формулу і потім спрощуємо.
x=−b±√b2−4ac2a=−(−2)±√(−2)2−4(1)(3)2(1)=2±√−82=2±2i√22=1+i√2
Оскільки рішення не є реальними, ми робимо висновок, що реальних коренів немає; отже, немає критичних чисел. Коли це так, графік не маєx -перехоплює і повністю знаходиться вище або нижчеx -осі. Ми можемо протестувати будь-яке значення, щоб створити діаграму знаків. Тут вибираємоx=0.
f(0)=(0)2−2(0)+3=+
Оскільки тестове значення дало позитивний результат, діаграма знаків виглядає наступним чином:

Шукаємо значення деf(x)>0; знакова діаграма означає, що будь-яке дійсне число дляx задовольнить цю умову.

Відповідь:
(−∞,∞)
Функція в попередньому прикладі наведена на графіку нижче.

Ми бачимо, що він не маєx -перехоплює і завжди вищеx -осі (позитивний). Якби питання було вирішуватиx2−2x+3<0, то відповідь не була б рішенням. Функція ніколи не буває негативною.
Вправа6.5.3
Вирішити:9x2−12x+4≤0
- Відповідь
-
Одне рішення,23.
www.youtube.com/В/Е7ВВВВВ_ДС
Приклад6.5.7:
Знайдіть домен:f(x)=√x2−4.
Рішення
Нагадаємо, що аргумент функції квадратного кореня повинен бути невід'ємним. Тому домен складається з усіх дійсних чисел дляx таких, щоx2−4 більше або дорівнює нулю.
x2−4≥0
Повинно бути зрозуміло, щоx2−4=0 має два рішенняx=±2; це критичні значення. Виберіть тестові значення в кожному інтервалі та оцінюйтеf(x)=x2−4.
f(−3)=(−3)2−4=9−4=+f(0)=(0)2−4=0−4=−f(3)=(3)2−4=9−4=+
Затінення вx -значеннях, які дають позитивні результати.

Відповідь:
Домен:(−∞,−2]∪[2,∞)
Ключові винос
- Квадратичні нерівності можуть мати нескінченно багато розв'язків, одне рішення або відсутність рішення.
- Ми можемо розв'язати квадратичні нерівності графічно, спочатку переписуючи нерівність у стандартній формі, з нулем на одній стороні. Графік квадратичної функції і визначте, де вона знаходиться вище або нижчеx -осі. Якщо нерівність передбачає «менше ніж», то визначтеx -значення, де функція знаходиться нижчеx -осі. Якщо нерівність передбачає «більше ніж», то визначтеx -значення, де функція знаходиться надx віссю -.
- Ми можемо впорядкувати процес розв'язання квадратичних нерівностей, використовуючи знакову діаграму. Діаграма знаків дає нам візуальну довідку, яка вказує, де функція знаходиться надx осі -за допомогою позитивних знаків або нижчеx -осі за допомогою негативних знаків. Затінення у відповідних значеннях x залежно від вихідної нерівності.
- Щоб скласти діаграму знаків, використовуйте функції та тестові значення в кожному регіоні, обмеженому корінням. Ми стурбовані лише тим, якщо функція позитивна чи негативна, і, таким чином, повний розрахунок не потрібен.
Вправа6.5.4
Визначте, чи є дане значення рішенням.
- x2−x+1<0;x=−1
- x2+x−1>0;x=−2
- 4x2−12x+9≤0;x=32
- 5x2−8x−4<0;x=−25
- 3x2−x−2≥0;x=0
- 4x2−x+3≤0;x=−1
- 2−4x−x2<0;x=12
- 5−2x−x2>0;x=0
- −x2−x−9<0;x=−3
- −x2+x−6≥0;x=6
- Відповідь
-
1. Ні
3. Так
5. Ні
7. Так
9. Так
Вправа6.5.5
Дано графікf визначення множини розв'язків.
1. f(x)≤0;

2. f(x)≥0;

3. f(x)≥0;

4. f(x)≤0;

5. f(x)>0;

6. f(x)<0;

7. f(x)>0;

8. f(x)<0;

9. f(x)≥0;

10. f(x)<0;

- Відповідь
-
1. [−4,2]
3. [−1,3]
5. (−∞,∞)
7. (−∞,4)∪(8,∞)
9. {−10}
Вправа6.5.6
Скористайтеся перетвореннями для побудови графіків, а потім визначте набір розв'язків.
- x2−1>0
- x2+2>0
- (x−1)2>0
- (x+2)2≤0
- (x+2)2−1≤0
- (x+3)2−4>0
- −x2+4≥0
- −(x+2)2>0
- −(x+3)2+1<0
- −(x−4)2+9>0
- Відповідь
-
1. (−∞,−1)∪(1,∞)
Малюнок6.5.30 3. (−∞,1)∪(1,∞)
Малюнок6.5.31 5. [−3,−1]
Малюнок6.5.32 7. [−2,2]
Малюнок6.5.33 9. (−∞,−4)∪(−2,∞)
Малюнок6.5.34
Вправа6.5.7
Використовуйте діаграму знаків для вирішення та графіку набору рішень. Представте відповіді за допомогою інтервальних позначень.
- x2−x−12>0
- x2−10x+16>0
- x2+2x−24<0
- x2+15x+54<0
- x2−23x−24≤0
- x2−12x+20≤0
- 2x2−11x−6≥0
- 3x2+17x−6≥0
- 8x2−18x−5<0
- 10x2+17x+6>0
- 9x2+30x+25≤0
- 16x2−40x+25≤0
- 4x2−4x+1>0
- 9x2+12x+4>0
- −x2−x+30≥0
- −x2−6x+27≤0
- x2−64<0
- x2−81≥0
- 4x2−9≥0
- 16x2−25<0
- 25−4x2≥0
- 1−49x2<0
- x2−8>0
- x2−75≤0
- 2x2+1>0
- 4x2+3<0
- x−x2>0
- 3x−x2≤0
- x2−x+1<0
- x2+x−1>0
- 4x2−12x+9≤0
- 5x2−8x−4<0
- 3x2−x−2≥0
- 4x2−x+3≤0
- 2−4x−x2<0
- 5−2x−x2>0
- −x2−x−9<0
- −x2+x−6≥0
- −2x2+4x−1≥0
- −3x2−x+1≤0
- Відповідь
-
1. (−∞,−3)∪(4,∞)
3. (−6,4)
5. [−1,24]
7. (−∞,−12]∪[6,∞)
9. (−14,52)
11. −53
13. (−∞,12)∪(12,∞)
15. [−6,5]
17. (−8,8)
19. (−∞,−32]∪[32,∞)
21. [−52,52]
23. (−∞,−2√2)∪(2√2,∞)
25. (−∞,∞)
27. (0,1)
29. ∅
31. 32
33. (−∞,−23]∪[1,∞)
35. (−∞,−2−√6)∪(−2+√6,∞)
37. (−∞,∞)
39. [2−√22,2+√22]
Вправа6.5.8
Знайдіть домен функції.
- f(x)=√x2−25
- f(x)=√x2+3x
- g(x)=√3x2−x−2
- g(x)=√12x2−9x−3
- h(x)=√16−x2
- h(x)=√3−2x−x2
- f(x)=√x2+10
- f(x)=√9+x2
- Компанія з виробництва робототехніки визначила, що її щотижневий прибуток у тисячах доларів моделюється тим,P(n)=−n2+30n−200 деn представляє кількість одиниць, які вона виробляє та продає. Скільки одиниць компанія повинна виробляти і продавати для підтримки прибутковості. (Підказка: Прибутковість виникає, коли прибуток перевищує нуль.)
- Висота в ногах снаряда, пострілу прямо в повітря, задається тим,h(t)=−16t2+400t деt представляє час у секундах після його вистрілу. В які часові проміжки знаходиться снаряд під1,000 ногами? Округлити до найближчої десятої частки секунди.
- Відповідь
-
1. (−∞,−5]∪[5,∞)
3. (−∞,−23]∪[1,∞)
5. [−4,4]
7. (−∞,∞)
9. Компанія повинна виробляти і продавати більше10 одиниць і менше20 одиниць щотижня.
Вправа6.5.9
- Чи завжди чергується таблиця знаків для будь-якої заданої квадратичної функції? Поясніть і проілюструйте свою відповідь деякими прикладами.
- Досліджуйте та обговоріть інші методи розв'язання квадратичної нерівності.
- Поясніть різницю між квадратним рівнянням і квадратичною нерівністю. Як ми можемо визначити і вирішити кожен? Яка геометрична інтерпретація кожного?
- Відповідь
-
1. Відповідь може відрізнятися
3. Відповідь може відрізнятися
Виноски
15 Математичне твердження, яке пов'язує квадратичний вираз як менший або більший за інший.
16 Значення в області функції, що розділяють області, які дають позитивні або негативні результати.
17 Модель функції з використанням числового рядка і знаків(+ або−) для позначення областей в області, де функція позитивна або негативна.