Задание 15: неравенства, рациональные относительно показательной функции
Задачи (58)
- № 508319Решите неравенство …с ответом
- № 508428Решите неравенство: …с ответом
- № 508475Решите неравенство: …с ответом
- № 508480Решите неравенство: …с ответом
- № 508497Решите неравенство: …с ответом
- № 508505Решите неравенство: …с ответом
- № 508559Решите неравенство: …с ответом
- № 512460Решите неравенство …с ответом
- № 513099Решите неравенство …с ответом
- № 513100Решите неравенство …с ответом
- № 513101Решите неравенство …с ответом
- № 689043Решите неравенство …с ответом
- № 514053Решите неравенство …с ответом
- № 514448Решите неравенство …с ответом
- № 514475Решите неравенство …с ответом
- № 514481Решите неравенство …с ответом
- № 514618Решите неравенство …с ответом
- № 514625Решите неравенство …с ответом
- № 517461Решите неравенство: …с ответом
- № 517512Решите неравенство …с ответом
- № 517515Решите неравенство: …с ответом
- № 517803Решите неравенство …с ответом
- № 519474Решите неравенство …с ответом
- № 519587Решите неравенство …с ответом
- № 521346Решите неравенство: …с ответом
- № 525119Решите неравенство …с ответом
- № 525379Решите неравенство …с ответом
- № 526015Решите неравенство …с ответом
- № 528145Решите неравенство: …с ответом
- № 528989Решите неравенство: …с ответом
- № 530403Решите неравенство …с ответом
- № 532283Решите неравенство …с ответом
- № 537135Решите неравенство …с ответом
- № 561855Решите неравенство …с ответом
- № 563299Решите неравенство …с ответом
- № 563673Решите неравенство: …с ответом
- № 563732Решите неравенство …с ответом
- № 621470Решите неравенство …с ответом
- № 624082Решите неравенство …с ответом
- № 625314Решите неравенство …с ответом
- № 628641Решите неравенство: …с ответом
- № 630121Решите неравенство …с ответом
- № 630128Решите неравенство: …с ответом
- № 630218Решите неравенство: …с ответом
- № 630703Решите неравенство: …с ответом
- № 630710Решите неравенство: …с ответом
- № 632967Решите неравенство: …с ответом
- № 633392Решите неравенство: …с ответом
- № 638593Решите неравенство: …с ответом
- № 639139Решите неравенство …с ответом
- № 642159Решите неравенство: …с ответом
- № 656086Решите неравенство …с ответом
- № 660697Решите неравенство: …с ответом
- № 660885Решите неравенство: …с ответом
- № 676806Решите неравенство …с ответом
- № 681160Решите неравенство …с ответом
- № 681167Решите неравенство …с ответом
- № 681197Решите неравенство …с ответом
О чём эта подтема
В этом типе заданий неравенство внешне выглядит показательным, но если ввести замену (обычно — основание степени в условии), то относительно новой переменной 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 .
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:
Важно уметь распознавать, что, например, , а , . Это ключевой шаг — привести все слагаемые к одному и тому же основанию и одной степени переменной.
Монотонность показательной функции. Функция строго возрастает при и строго убывает при . Это гарантирует, что уравнение имеет ровно одно решение для любого , и позволяет однозначно переводить неравенства вида или в неравенства относительно .
Область значений показательной функции. Для любого основания , , всегда . Это значит, что после замены обязательно нужно учитывать ограничение — 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 верно , причём равенство достигается только при . Эта оценка иногда напрямую решает задачу без громоздкого разбора случаев — как в первом примере ниже.
Как решать: метод и алгоритм
Определить общее основание. Посмотреть на все степени в неравенстве и понять, к какому общему основанию их можно привести (обычно оно явно присутствует в условии).
Преобразовать все слагаемые так, чтобы каждое выражалось через степень (используя свойства степеней: , , ).
Сделать замену , обязательно зафиксировав условие .
Решить получившееся рациональное неравенство относительно методом интервалов: перенести всё в одну сторону, привести к общему знаменателю, разложить числитель и знаменатель на множители, найти нули, расставить знаки.
Учесть ограничение , пересекая найденное множество решений с этим условием (если оно ещё не было учтено автоматически).
Вернуться к переменной , решая неравенства вида или с учётом монотонности функции (возрастание при , убывание при ). Здесь появляются логарифмы, если границы промежутков не являются «удобными» степенями основания.
Записать ответ в виде объединения промежутков по .
Особый случай — когда после замены удаётся свернуть выражение через симметричную комбинацию (если в неравенстве есть слагаемые и ). Тогда полезно вспомнить, что , а сама переменная ограничена снизу: . Иногда этого достаточно, чтобы сразу получить единственное решение.
Разбор примера
Пример 1. Решите неравенство
Шаг 1. Приводим к одному основанию. Заметим, что
Шаг 2. Замена. Пусть , . Неравенство принимает вид
Шаг 3. Группировка через симметричную сумму. Введём . Тогда Подставляем:
Шаг 4. Решаем квадратное неравенство. Дискриминант: , корни , то есть , . Значит,
Шаг 5. Учитываем ограничение на . По неравенству о среднем для всегда , причём равенство достигается ровно при . Значит, условие вместе с оставляет единственную возможность: .
Шаг 6. Находим , затем . Из следует , то есть , откуда .
Ответ: .
Пример 2. Решите неравенство
Шаг 1. Замена. Пусть , , , (иначе знаменатели обращаются в нуль). Неравенство:
Шаг 2. Переносим всё в одну сторону и приводим к общему знаменателю :
Шаг 3. Раскрываем скобки в числителе. Сумма: .
Шаг 4. Раскладываем на множители. . Неравенство:
Шаг 5. Метод интервалов. Нули числителя: , (включаются, так как неравенство нестрогое). Нули знаменателя: , (исключаются). Расставляем точки по возрастанию: . Проверяя знак выражения на каждом промежутке (например, подставляя пробные точки ), получаем, что дробь отрицательна или равна нулю на промежутках
Шаг 6. Возвращаемся к . Используем возрастание функции :
- ;
- ;
- ;
- .
Следовательно,
Ответ: .
Типичные ошибки
Забытое ограничение . После замены школьники часто решают чисто рациональное неравенство и включают в ответ отрицательные значения 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 и (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 или переносе слагаемых часто теряются знаки — стоит проверять вычисления подстановкой контрольного значения.
Неправильный переход от неравенства для к неравенству для . 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 ( или ), нули числителя должны войти в ответ, а не быть случайно исключены при формальном переписывании интервалов.
Неверное применение неравенства о среднем. Утверждение верно только для . Если в задаче не гарантировано положительное , 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 — иногда в условии специально маскируют разные основания (например, и ), и нужно сначала привести их к общему виду.
После решения рационального неравенства относительно всегда возвращайтесь к условию 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, ), 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 , 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 .
Почему после замены обязательно нужно писать условие $t>0$?
Потому что показательная функция при любом принимает только положительные значения. Если не учесть это ограничение, в ответ могут попасть посторонние значения , которые физически не соответствуют никакому .
Как понять, что нужно использовать замену $u=t+1/t$?
Такой приём применим, если в неравенстве одновременно встречаются слагаемые вида и (то есть и ). Тогда через выражаются 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 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 , что для выполняется автоматически. Важно помнить, что равенство достигается ровно при — это часто даёт единственное решение задачи, как в первом разобранном примере.