Задание 15 ЕГЭ (профиль): неравенства всех типов — полный разбор

Подтемы

Что проверяет задание

Задание 15 — это неравенство (или система из одного неравенства с ветвлением на случаи), для решения которого нужно:

  • правильно найти область допустимых значений (ОДЗ);
  • знать свойства степенной, показательной, логарифмической, тригонометрической функций и модуля;
  • уметь сводить сложное неравенство к рациональному через замену переменной, рационализацию или возведение в степень;
  • владеть методом интервалов, в том числе обобщённым (с учётом кратности корней);
  • аккуратно пересекать промежутки и не терять/не добавлять точки на границах ОДЗ.

Задание комбинированное: под одной формулировкой могут скрываться логарифмы с переменным основанием, корни, модули и показательные выражения одновременно.

Как выглядит формулировка и сколько баллов

Типичная формулировка: «Решите неравенство …». Ответ — множество значений xx, чаще всего объединение промежутков.

Задание оценивается в 2 первичных балла:

  • 2 балла — верное, полностью обоснованное решение и верный ответ;
  • 1 балл — решение в целом верное (выбран правильный метод), но допущена ошибка на одном из равносильных переходов, не искажающая логику решения, или потеряны отдельные точки на границе;
  • 0 баллов — неверный метод, грубые ошибки в переходах или неверный ответ без обоснования.

Что нужно знать

  • Свойства степени: am⋅an=am+na^{m}\cdot a^{n}=a^{m+n}, aman=am−n\dfrac{a^{m}}{a^{n}}=a^{m-n}, (am)n=amn(a^{m})^{n}=a^{mn}, a0=1a^{0}=1 при a≠0a\ne0.
  • Монотонность показательной функции: при a>1a>1 функция axa^{x} возрастает, при 0<a<10<a<1 — убывает.
  • Свойства логарифма (при x>0, y>0, a>0, a≠1x>0,\ y>0,\ a>0,\ a\ne1): log⁡a(xy)=log⁡ax+log⁡ay\log_a(xy)=\log_a x+\log_a y, log⁡axy=log⁡ax−log⁡ay\log_a\dfrac{x}{y}=\log_a x-\log_a y, log⁡axk=klog⁡ax\log_a x^{k}=k\log_a x, log⁡ax=log⁡cxlog⁡ca\log_a x=\dfrac{\log_c x}{\log_c a}.
  • Монотонность логарифма: при a>1a>1 функция log⁡ax\log_a x возрастает, при 0<a<10<a<1 — убывает. Отсюда при a>1a>1: log⁡af<log⁡ag  ⟺  f<g\log_a f<\log_a g \iff f<g; при 0<a<10<a<1: log⁡af<log⁡ag  ⟺  f>g\log_a f<\log_a g \iff f>g (знак переворачивается).
  • Таблица рационализации: знак log⁡h(x)f(x)−log⁡h(x)g(x)\log_{h(x)}f(x)-\log_{h(x)}g(x) совпадает со знаком (h(x)−1) (f(x)−g(x))(h(x)-1)\,(f(x)-g(x)) на ОДЗ; знак af(x)−ag(x)a^{f(x)}-a^{g(x)} совпадает со знаком (a−1)(f(x)−g(x))(a-1)(f(x)-g(x)).
  • ОДЗ: под корнем чётной степени — выражение ≥0\ge0; знаменатель дроби ≠0\ne0; аргумент логарифма >0>0; основание логарифма >0>0 и ≠1\ne1.
  • Определение модуля: ∣x∣=x|x|=x при x≥0x\ge0 и ∣x∣=−x|x|=-x при x<0x<0; важно помнить, что (f(x))2=∣f(x)∣\sqrt{(f(x))^{2}}=|f(x)|, а не f(x)f(x).
  • Равносильные переходы с корнями: f(x)<g(x)  ⟺  {f(x)≥0,g(x)>0,f(x)<g2(x);f(x)≥g(x)  ⟺  {g(x)≥0,f(x)≥g(x).\sqrt{f(x)}<g(x)\iff\begin{cases}f(x)\ge0,\\ g(x)>0,\\ f(x)<g^{2}(x);\end{cases}\qquad \sqrt{f(x)}\ge \sqrt{g(x)}\iff \begin{cases}g(x)\ge0,\\ f(x)\ge g(x).\end{cases}
  • Обобщённый метод интервалов: при переходе через корень чётной кратности знак не меняется, через корень нечётной кратности — меняется.

Методы решения

1. Метод рационализации (для неравенств с переменным основанием логарифма или сравнения показательных выражений). Сложное выражение заменяется на равносильное по знаку произведение множителей, после чего задача сводится к рациональному неравенству.

Мини-пример: решить log⁡x(x+2)>1\log_{x}(x+2)>1. ОДЗ: x>0, x≠1x>0,\ x\ne1. Перепишем 1=log⁡xx1=\log_x x, тогда неравенство log⁡x(x+2)−log⁡xx>0\log_x(x+2)-\log_x x>0 равносильно (по рационализации) (x−1)((x+2)−x)>0(x-1)\big((x+2)-x\big)>0, то есть 2(x−1)>0⇒x>12(x-1)>0\Rightarrow x>1. С учётом ОДЗ ответ: x>1x>1.

2. Обобщённый метод интервалов (для рациональных неравенств и любых, сведённых к произведению множителей).

Мини-пример: (x−2)(x+1)x−3≥0\dfrac{(x-2)(x+1)}{x-3}\ge0. Нули числителя: 2,−12,-1 (нечётная кратность), точка разрыва x=3x=3 выколота. Расставляя знаки, получаем x∈[−1;2]∪(3;+∞)x\in[-1;2]\cup(3;+\infty).

3. Замена переменной (для показательных и логарифмических неравенств второй степени, «квадратных» относительно axa^{x} или log⁡ax\log_a x).

Мини-пример: 4x−5⋅2x+4≤04^{x}-5\cdot2^{x}+4\le0. Пусть t=2x>0t=2^{x}>0: t2−5t+4≤0⇒1≤t≤4⇒1≤2x≤4⇒0≤x≤2t^{2}-5t+4\le0\Rightarrow 1\le t\le4\Rightarrow 1\le2^{x}\le4\Rightarrow 0\le x\le2.

4. Переход к равносильной системе (для иррациональных неравенств, где возведение в квадрат напрямую невозможно из-за знаков).

Мини-пример: 2x−1<x−1\sqrt{2x-1}<x-1. Равносильная система: {2x−1≥0,x−1>0,2x−1<(x−1)2.\begin{cases}2x-1\ge0,\\ x-1>0,\\ 2x-1<(x-1)^2.\end{cases} Решая, получаем x>1x>1 и x2−4x+2>0⇒x<2−2x^{2}-4x+2>0\Rightarrow x<2-\sqrt2 или x>2+2x>2+\sqrt2; итог: x>2+2x>2+\sqrt2.

5. Раскрытие модуля (по определению на промежутках или через возведение в квадрат, если обе части неотрицательны).

Мини-пример: ∣x−3∣+∣x+1∣≤6|x-3|+|x+1|\le6. Рассматриваем три промежутка (x<−1x<-1, −1≤x≤3-1\le x\le3, x>3x>3), в каждом снимаем модули по знаку и решаем линейное неравенство; итог: x∈[−2;4]x\in[-2;4].

Алгоритм решения по шагам

  1. Найти ОДЗ переменной (корни, знаменатели, основания и аргументы логарифмов).
  2. Привести все логарифмы к одному основанию или объединить их по свойствам суммы/разности; аналогично для степеней — привести к одному основанию.
  3. Определить, является ли основание постоянным или переменным, больше или меньше единицы — от этого зависит, нужно ли менять знак неравенства или применять рационализацию.
  4. Свести неравенство к рациональному (через замену переменной, рационализацию или возведение в степень с системой условий).
  5. Разложить получившееся выражение на множители и решить методом интервалов, учитывая кратность корней.
  6. Пересечь найденное решение с ОДЗ.
  7. Записать ответ как объединение промежутков, проверить контрольные точки подстановкой в исходное неравенство.

Разбор примеров

Пример 1. Решить log⁡1/3(18−9x)<log⁡1/3(x2−6x+5)+log⁡1/3(x+2)\log_{1/3}(18-9x)<\log_{1/3}(x^{2}-6x+5)+\log_{1/3}(x+2).

Основание 1/3<11/3<1, значит функция убывающая — при переходе к аргументам знак неравенства изменится на противоположный.

Объединяем логарифмы справа: log⁡1/3(x2−6x+5)+log⁡1/3(x+2)=log⁡1/3[(x2−6x+5)(x+2)]\log_{1/3}(x^{2}-6x+5)+\log_{1/3}(x+2)=\log_{1/3}\big[(x^{2}-6x+5)(x+2)\big].

Неравенство принимает вид log⁡1/3(18−9x)<log⁡1/3[(x2−6x+5)(x+2)]\log_{1/3}(18-9x)<\log_{1/3}\big[(x^{2}-6x+5)(x+2)\big].

ОДЗ: x2−6x+5>0x^{2}-6x+5>0 и x+2>0x+2>0 (условие 18−9x>018-9x>0 отдельно не пишем — оно следует из решаемого неравенства при этой ОДЗ).

Так как основание меньше единицы, из log⁡1/3A<log⁡1/3B\log_{1/3}A<\log_{1/3}B следует A>BA>B. Получаем систему: {x2−6x+5>0,x+2>0,18−9x>(x2−6x+5)(x+2).\begin{cases}x^{2}-6x+5>0,\\ x+2>0,\\ 18-9x>(x^{2}-6x+5)(x+2).\end{cases}

Раскрываем произведение: (x2−6x+5)(x+2)=x3−4x2−7x+10(x^{2}-6x+5)(x+2)=x^{3}-4x^{2}-7x+10. Неравенство 18−9x>x3−4x2−7x+1018-9x>x^{3}-4x^{2}-7x+10 приводится к x3−4x2+2x−8<0x^{3}-4x^{2}+2x-8<0.

Разложение группировкой: x2(x−4)+2(x−4)=(x2+2)(x−4)<0x^{2}(x-4)+2(x-4)=(x^{2}+2)(x-4)<0. Так как x2+2>0x^{2}+2>0 всегда, знак зависит только от (x−4)(x-4): неравенство равносильно x<4x<4.

Первое условие: (x−1)(x−5)>0⇒x<1(x-1)(x-5)>0\Rightarrow x<1 или x>5x>5. Второе условие: x>−2x>-2.

Пересекая x<4x<4, (x<1x<1 или x>5x>5), x>−2x>-2: вариант x>5x>5 отпадает (не совместим с x<4x<4), остаётся −2<x<1-2<x<1.

Ответ: x∈(−2;1)x\in(-2;1).

Пример 2. Решить (x+3x)(x2−6x+9−15−x−1)2≥4(x2−6x+9−15−x−1)2\left(x+\dfrac{3}{x}\right)\left(\dfrac{\sqrt{x^{2}-6x+9}-1}{\sqrt{5-x}-1}\right)^{2}\ge4\left(\dfrac{\sqrt{x^{2}-6x+9}-1}{\sqrt{5-x}-1}\right)^{2}.

Заметим x2−6x+9=∣x−3∣\sqrt{x^{2}-6x+9}=|x-3|. Обозначим t=∣x−3∣−15−x−1t=\dfrac{|x-3|-1}{\sqrt{5-x}-1}. Неравенство принимает вид t2(x+3x−4)≥0t^{2}\left(x+\dfrac3x-4\right)\ge0.

ОДЗ: 5−x≥05-x\ge0, 5−x≠1⇒x≠4\sqrt{5-x}\ne1\Rightarrow x\ne4, x≠0x\ne0 (знаменатель дроби 3/x3/x).

Случай 1: t=0t=0, то есть ∣x−3∣=1⇒x=2|x-3|=1\Rightarrow x=2 или x=4x=4. Значение x=4x=4 исключено ОДЗ, остаётся x=2x=2 — при нём неравенство выполняется всегда (обе части равны нулю).

Случай 2: t≠0t\ne0 (значит x≠2,4x\ne2,4), тогда нужно x+3x−4≥0⇒x2−4x+3x≥0⇒(x−1)(x−3)x≥0x+\dfrac3x-4\ge0\Rightarrow \dfrac{x^{2}-4x+3}{x}\ge0\Rightarrow\dfrac{(x-1)(x-3)}{x}\ge0.

Метод интервалов по точкам 0,1,30,1,3 даёт x∈(0;1]∪[3;+∞)x\in(0;1]\cup[3;+\infty).

Пересекаем с ОДЗ (x≤5x\le5, x≠0,4x\ne0,4) и исключаем x=2,4x=2,4 (уже вне полученного множества, кроме проверки границ): получаем x∈(0;1]∪[3;4)∪(4;5]x\in(0;1]\cup[3;4)\cup(4;5].

Добавляем точку из случая 1: x=2x=2.

Ответ: x∈(0;1]∪{2}∪[3;4)∪(4;5]x\in(0;1]\cup\{2\}\cup[3;4)\cup(4;5].

Пример 3. Решить 7−x<x3−6x2+14x−7x−1\sqrt{7-x}<\dfrac{\sqrt{x^{3}-6x^{2}+14x-7}}{\sqrt{x-1}}.

ОДЗ: 7−x≥0⇒x≤77-x\ge0\Rightarrow x\le7; x−1>0⇒x>1x-1>0\Rightarrow x>1; x3−6x2+14x−7≥0x^{3}-6x^{2}+14x-7\ge0.

Умножаем обе (неотрицательные) части на x−1>0\sqrt{x-1}>0: (7−x)(x−1)<x3−6x2+14x−7\sqrt{(7-x)(x-1)}<\sqrt{x^{3}-6x^{2}+14x-7}. Обе части неотрицательны, возводим в квадрат: (7−x)(x−1)<x3−6x2+14x−7.(7-x)(x-1)<x^{3}-6x^{2}+14x-7.

Раскрываем: (7−x)(x−1)=−x2+8x−7(7-x)(x-1)=-x^{2}+8x-7. Переносим всё вправо: 0<x3−6x2+14x−7+x2−8x+7=x3−5x2+6x.0<x^{3}-6x^{2}+14x-7+x^{2}-8x+7=x^{3}-5x^{2}+6x.

Разложение: x3−5x2+6x=x(x−2)(x−3)>0x^{3}-5x^{2}+6x=x(x-2)(x-3)>0.

Метод интервалов по точкам 0,2,30,2,3: x∈(0;2)∪(3;+∞)x\in(0;2)\cup(3;+\infty).

Проверка кубического выражения из ОДЗ на промежутке x>1x>1 (например, при x=1,5x=1{,}5, x=4x=4, x=7x=7) показывает, что x3−6x2+14x−7>0x^{3}-6x^{2}+14x-7>0 всюду в этой области, значит отдельное ограничение не сужает ответ.

Пересекаем (0;2)∪(3;+∞)(0;2)\cup(3;+\infty) с ОДЗ x∈(1;7]x\in(1;7]:

Ответ: x∈(1;2)∪(3;7]x\in(1;2)\cup(3;7].

Типичные ошибки и ловушки

  • Забывают найти ОДЗ до преобразований — теряют или добавляют лишние корни.
  • Не меняют знак неравенства при переходе от логарифмов/степеней с основанием 0<a<10<a<1 к аргументам.
  • При объединении логарифмов забывают, что сумма log⁡af+log⁡ag\log_a f+\log_a g определена только при f>0f>0 и g>0g>0 одновременно, а не при fg>0fg>0.
  • Возводят обе части неравенства в квадрат без проверки знаков — это допустимо только когда обе части неотрицательны.
  • Забывают, что (x−a)2=∣x−a∣\sqrt{(x-a)^2}=|x-a|, а не просто x−ax-a.
  • При делении неравенства на выражение с переменной не рассматривают случай смены знака делителя.
  • В нестрогих неравенствах теряют граничные точки, где множитель обращается в ноль.
  • Не пересекают итоговое решение с ОДЗ в самом конце, полагаясь только на промежуточные условия.

Как готовиться

  • Проработать каждую подтему отдельно: рациональные, показательные, логарифмические, иррациональные неравенства, неравенства с модулем и тригонометрией — на 5–7 задачах каждого типа.
  • Выучить наизусть таблицу рационализации и условия равносильных переходов с корнями и модулями.
  • При решении всегда фиксировать ОДЗ отдельным пунктом и возвращаться к нему в конце.
  • Разбирать задания с несколькими «слоями» (лог + степень + модуль) — именно они чаще всего встречаются в реальном варианте.
  • После получения ответа подставлять контрольную точку из каждого промежутка в исходное неравенство для проверки.
  • Оформлять решение цепочкой равносильных переходов — это снижает риск потери баллов за обоснование.

Частые вопросы

Почему при логарифмах с основанием меньше единицы знак неравенства меняется?

Потому что функция log⁡ax\log_a x при 0<a<10<a<1 убывающая: большему значению аргумента соответствует меньшее значение функции. Поэтому при переходе от сравнения логарифмов к сравнению аргументов знак неравенства становится противоположным.

Когда можно возводить обе части неравенства в квадрат?

Только если обе части неотрицательны на рассматриваемом множестве. Если одна из частей может быть отрицательной, нужно сначала разбить решение на случаи по знаку или перейти к равносильной системе с условием положительности.

Что такое метод рационализации и зачем он нужен?

Это способ заменить сложное логарифмическое или показательное выражение на равносильное по знаку произведение простых множителей. Он упрощает неравенства с переменным основанием, сводя их к рациональным, которые решаются методом интервалов.

Нужно ли всегда сначала искать ОДЗ или можно найти её после решения?

ОДЗ нужно находить в начале, чтобы понимать, какие преобразования допустимы (например, можно ли объединять логарифмы). В конце решения обязательно пересечь найденное множество с ОДЗ, иначе легко получить лишние или потерянные точки.

Как понять, что корень уравнения нужно включать в ответ при нестрогом неравенстве?

Если неравенство нестрогое (≥\ge или ≤\le), точки, где выражение обращается в ноль, включаются в ответ (при условии, что они входят в ОДЗ). При строгом неравенстве такие точки исключаются.

Как быстро проверить правильность найденного промежутка?

Подставить любое число из середины промежутка (и, при возможности, граничную точку) в исходное неравенство и убедиться, что оно выполняется. Это простой способ обнаружить ошибку в переходах.