ГлавнаяЕГЭ Математика (профиль)Задание 15Неравенства рациональные относительно показательной функции

Задание 15: неравенства, рациональные относительно показательной функции

Задачи (58)

О чём эта подтема

В этом типе заданий неравенство внешне выглядит показательным, но если ввести замену t=axt = a^x (обычно aa — основание степени в условии), то относительно новой переменной tt получается обычное рациональное неравенство: дробно-рациональное или полиномиальное. Вся сложность распадается на два этапа: сначала аккуратно свести всё к одному основанию и сделать замену, потом — решить рациональное неравенство методом интервалов, и наконец — вернуться к исходной переменной xx.

Такие задачи проверяют сразу несколько навыков: работу со свойствами степеней, технику решения дробно-рациональных неравенств и умение возвращаться от новой переменной к старой с учётом области допустимых значений. Это одна из самых предсказуемых по структуре подтем задания 15 — если отработать алгоритм, большинство вариантов решаются по одному и тому же шаблону.

Что нужно знать

Свойства степеней, без которых не свести выражение к одной переменной: ax+y=axay,ax=1ax,(ax)k=axk.a^{x+y} = a^x \cdot a^y, \qquad a^{-x} = \frac{1}{a^x}, \qquad (a^x)^k = a^{xk}.

Важно уметь распознавать, что, например, 25x=(52)x=(5x)225^x = (5^2)^x = (5^x)^2, а 5x+1=55x5^{x+1} = 5\cdot 5^x, 51x=55x5^{1-x} = \dfrac{5}{5^x}. Это ключевой шаг — привести все слагаемые к одному и тому же основанию и одной степени переменной.

Монотонность показательной функции. Функция t=axt = a^x строго возрастает при a>1a>1 и строго убывает при 0<a<10<a<1. Это гарантирует, что уравнение ax=t0a^x = t_0 имеет ровно одно решение для любого t0>0t_0>0, и позволяет однозначно переводить неравенства вида ax>ca^x > c или axca^x \le c в неравенства относительно xx.

Область значений показательной функции. Для любого основания a>0a>0, a1a\ne1, всегда ax>0a^x > 0. Это значит, что после замены t=axt=a^x обязательно нужно учитывать ограничение t>0t>0 — это часть ОДЗ, про которую забывают чаще всего.

Метод интервалов для рациональных неравенств. Нужно уметь находить нули числителя и знаменателя дроби, расставлять их на числовой оси и определять знак выражения на каждом промежутке (проверкой знака в пробной точке или по кратности корней). Важно помнить: нули числителя включаются в ответ (если неравенство нестрогое), а нули знаменателя — никогда не включаются, так как в них выражение не определено.

Неравенство о среднем (AM–GM). Для t>0t>0 верно t+1t2t + \dfrac{1}{t} \ge 2, причём равенство достигается только при t=1t=1. Эта оценка иногда напрямую решает задачу без громоздкого разбора случаев — как в первом примере ниже.

Как решать: метод и алгоритм

  1. Определить общее основание. Посмотреть на все степени в неравенстве и понять, к какому общему основанию их можно привести (обычно оно явно присутствует в условии).

  2. Преобразовать все слагаемые так, чтобы каждое выражалось через степень t=axt = a^x (используя свойства степеней: akx=(ax)ka^{kx}=(a^x)^k, ax+c=acaxa^{x+c}=a^c\cdot a^x, ax=1/axa^{-x}=1/a^x).

  3. Сделать замену t=axt = a^x, обязательно зафиксировав условие t>0t>0.

  4. Решить получившееся рациональное неравенство относительно tt методом интервалов: перенести всё в одну сторону, привести к общему знаменателю, разложить числитель и знаменатель на множители, найти нули, расставить знаки.

  5. Учесть ограничение t>0t>0, пересекая найденное множество решений с этим условием (если оно ещё не было учтено автоматически).

  6. Вернуться к переменной xx, решая неравенства вида ax>t0a^x > t_0 или axt0a^x \le t_0 с учётом монотонности функции axa^x (возрастание при a>1a>1, убывание при 0<a<10<a<1). Здесь появляются логарифмы, если границы промежутков не являются «удобными» степенями основания.

  7. Записать ответ в виде объединения промежутков по xx.

Особый случай — когда после замены удаётся свернуть выражение через симметричную комбинацию u=t+1/tu = t + 1/t (если в неравенстве есть слагаемые tnt^n и 1/tn1/t^n). Тогда полезно вспомнить, что t2+1t2=u22t^2+\dfrac{1}{t^2} = u^2-2, а сама переменная uu ограничена снизу: u2u\ge2. Иногда этого достаточно, чтобы сразу получить единственное решение.

Разбор примера

Пример 1. Решите неравенство 25x+5x+1+51x+125x12.25^{x} + 5^{x+1} + 5^{1-x} + \frac{1}{25^{x}} \le 12.

Шаг 1. Приводим к одному основанию. Заметим, что 25x=(5x)2,5x+1=55x,51x=55x,125x=1(5x)2.25^x = (5^x)^2, \qquad 5^{x+1} = 5\cdot 5^x, \qquad 5^{1-x} = \frac{5}{5^x}, \qquad \frac{1}{25^x} = \frac{1}{(5^x)^2}.

Шаг 2. Замена. Пусть t=5xt = 5^x, t>0t>0. Неравенство принимает вид t2+5t+5t+1t212.t^2 + 5t + \frac{5}{t} + \frac{1}{t^2} \le 12.

Шаг 3. Группировка через симметричную сумму. Введём u=t+1tu = t + \dfrac{1}{t}. Тогда t2+1t2=u22,5t+5t=5u.t^2 + \frac{1}{t^2} = u^2 - 2, \qquad 5t + \frac{5}{t} = 5u. Подставляем: u22+5u12u2+5u140.u^2 - 2 + 5u \le 12 \quad\Longrightarrow\quad u^2 + 5u - 14 \le 0.

Шаг 4. Решаем квадратное неравенство. Дискриминант: D=25+56=81D = 25+56=81, корни u=5±92u = \dfrac{-5\pm9}{2}, то есть u1=2u_1 = 2, u2=7u_2 = -7. Значит, 7u2.-7 \le u \le 2.

Шаг 5. Учитываем ограничение на uu. По неравенству о среднем для t>0t>0 всегда u=t+1t2u = t+\dfrac1t \ge 2, причём равенство достигается ровно при t=1t=1. Значит, условие u2u\le2 вместе с u2u\ge2 оставляет единственную возможность: u=2u=2.

Шаг 6. Находим tt, затем xx. Из u=2u=2 следует t=1t=1, то есть 5x=15^x = 1, откуда x=0x=0.

Ответ: {0}\{0\}.

Пример 2. Решите неравенство 25x1+5x25x32.\frac{2}{5^{x}-1} + \frac{5^{x}-2}{5^{x}-3} \ge 2.

Шаг 1. Замена. Пусть t=5xt = 5^x, t>0t>0, t1t\ne1, t3t\ne3 (иначе знаменатели обращаются в нуль). Неравенство: 2t1+t2t32.\frac{2}{t-1} + \frac{t-2}{t-3} \ge 2.

Шаг 2. Переносим всё в одну сторону и приводим к общему знаменателю (t1)(t3)(t-1)(t-3): 2(t3)+(t2)(t1)2(t1)(t3)(t1)(t3)0.\frac{2(t-3) + (t-2)(t-1) - 2(t-1)(t-3)}{(t-1)(t-3)} \ge 0.

Шаг 3. Раскрываем скобки в числителе. 2(t3)=2t6,2(t-3) = 2t-6, (t2)(t1)=t23t+2,(t-2)(t-1) = t^2 - 3t + 2, 2(t1)(t3)=2(t24t+3)=2t28t+6.2(t-1)(t-3) = 2(t^2-4t+3) = 2t^2 - 8t + 6. Сумма: (2t6)+(t23t+2)(2t28t+6)=t2+7t10(2t-6) + (t^2-3t+2) - (2t^2-8t+6) = -t^2 + 7t - 10.

Шаг 4. Раскладываем на множители. t2+7t10=(t2)(t5)-t^2+7t-10 = -(t-2)(t-5). Неравенство: (t2)(t5)(t1)(t3)0(t2)(t5)(t1)(t3)0.\frac{-(t-2)(t-5)}{(t-1)(t-3)} \ge 0 \quad\Longleftrightarrow\quad \frac{(t-2)(t-5)}{(t-1)(t-3)} \le 0.

Шаг 5. Метод интервалов. Нули числителя: t=2t=2, t=5t=5 (включаются, так как неравенство нестрогое). Нули знаменателя: t=1t=1, t=3t=3 (исключаются). Расставляем точки по возрастанию: 1,2,3,51, 2, 3, 5. Проверяя знак выражения на каждом промежутке (например, подставляя пробные точки t=0,1.5,2.5,4,6t=0,\,1.5,\,2.5,\,4,\,6), получаем, что дробь отрицательна или равна нулю на промежутках t(1,2](3,5].t \in (1, 2] \cup (3, 5].

Шаг 6. Возвращаемся к xx. Используем возрастание функции 5x5^x:

  • t>1x>0t>1 \Rightarrow x>0;
  • t2xlog52t\le 2 \Rightarrow x\le \log_5 2;
  • t>3x>log53t>3 \Rightarrow x>\log_5 3;
  • t5x1t\le5 \Rightarrow x\le1.

Следовательно, x(0,log52](log53,1].x \in (0, \log_5 2] \cup (\log_5 3, 1].

Ответ: (0;log52](log53;1](0;\log_5 2] \cup (\log_5 3; 1].

Типичные ошибки

Забытое ограничение t>0t>0. После замены t=axt=a^x школьники часто решают чисто рациональное неравенство и включают в ответ отрицательные значения tt или ноль — это грубая ошибка, так как показательная функция никогда не принимает такие значения.

Потеря точек, где знаменатель равен нулю. При составлении общего знаменателя легко забыть исключить точки t=1t=1 и t=3t=3 (в примере 2) из ОДЗ, что приводит к неверному ответу с лишними точками.

Неверный перенос знаков при возведении в квадрат общего знаменателя. При раскрытии скобок вида (t2)(t1)(t-2)(t-1) или переносе слагаемых часто теряются знаки — стоит проверять вычисления подстановкой контрольного значения.

Неправильный переход от неравенства для tt к неравенству для xx. Если основание степени больше 1, знак неравенства сохраняется; если основание между 0 и 1 — знак меняется на противоположный. Эту деталь часто упускают, особенно в комбинированных заданиях с разными основаниями.

Забытые крайние точки при нестрогом неравенстве. Если неравенство нестрогое (\le или \ge), нули числителя должны войти в ответ, а не быть случайно исключены при формальном переписывании интервалов.

Неверное применение неравенства о среднем. Утверждение t+1t2t+\dfrac1t\ge2 верно только для t>0t>0. Если в задаче не гарантировано положительное tt, использовать эту оценку напрямую нельзя.

На что обратить внимание на экзамене

Перед тем как вводить замену, обязательно проверьте, что все степени в неравенстве действительно можно выразить через одну и ту же переменную t=axt=a^x — иногда в условии специально маскируют разные основания (например, 4x4^x и 2x2^x), и нужно сначала привести их к общему виду.

После решения рациональ­ного неравенства относительно tt всегда возвращайтесь к условию t>0t>0 и пересекайте с ним полученное множество — это стандартный шаг, который нельзя пропускать.

При обратной замене внимательно следите за направлением неравенства: возрастающая функция сохраняет знак неравенства, убывающая — меняет его на противоположный. Если основание не указано явно, а получено после преобразований (например, t=(1/3)xt=(1/3)^x), не забудьте, что это убывающая функция.

В ответе, где границы промежутков выражаются через логарифмы (как во втором примере), не пытайтесь «округлить» или упростить их — оставляйте в точном виде logab\log_a b, так как это обычно и есть ожидаемый формат ответа.

Наконец, всегда делайте финальную проверку: подставьте одну точку из каждого найденного промежутка в исходное неравенство (не в преобразованное с заменой), чтобы убедиться, что она действительно удовлетворяет условию — это лучший способ поймать ошибку в цепочке преобразований.

Частые вопросы

Зачем вводить замену $t=a^x$, если можно решать сразу через $x$?

Показательное неравенство напрямую решать неудобно из-за суммы разных степеней. Замена сводит задачу к обычному рациональному неравенству, которое решается стандартным методом интервалов, а затем результат переводится обратно в термины xx.

Почему после замены обязательно нужно писать условие $t>0$?

Потому что показательная функция axa^x при любом xx принимает только положительные значения. Если не учесть это ограничение, в ответ могут попасть посторонние значения t0t\le0, которые физически не соответствуют никакому xx.

Как понять, что нужно использовать замену $u=t+1/t$?

Такой приём применим, если в неравенстве одновременно встречаются слагаемые вида tnt^n и 1/tn1/t^n (то есть anxa^{nx} и anxa^{-nx}). Тогда через u=t+1/tu=t+1/t выражаются t2+1/t2=u22t^2+1/t^2=u^2-2 и подобные комбинации, что упрощает уравнение.

Что делать, если после метода интервалов граница промежутка получилась не «круглым» числом, а вида $\log_5 2$?

Это нормальная ситуация — оставляйте ответ в точном виде с логарифмом, не пытаясь его округлить. Такие ответы часто встречаются в задании 15 и являются ожидаемым форматом записи.

Как проверить правильность решения перед сдачей?

Возьмите одно значение xx из каждого промежутка ответа и подставьте его в исходное (не преобразованное) неравенство — если неравенство верно, промежуток выбран правильно. Дополнительно проверьте, что граничные точки, исключённые из ОДЗ, действительно обращают знаменатель в нуль.

Всегда ли можно применять неравенство $t+1/t\ge2$?

Да, но только при условии t>0t>0, что для t=axt=a^x выполняется автоматически. Важно помнить, что равенство достигается ровно при t=1t=1 — это часто даёт единственное решение задачи, как в первом разобранном примере.