Показательные неравенства на ДВИ МГУ проверяют не только знание свойств степеней, но и умение аккуратно работать с равносильными переходами. Главный инструмент при решении любого показательного неравенства — монотонность показательной функции.
Функция y=ax (где a>0, a=1) ведет себя по-разному в зависимости от основания:
При a>1 функция строго возрастает. Большему значению функции соответствует больший аргумент.
При 0<a<1 функция строго убывает. Большему значению функции соответствует меньший аргумент (знак неравенства меняется).
Неравенства с переменным основанием
Сложность резко возрастает, если основание степени зависит от переменной: f(x)g(x)⩾f(x)h(x). Такие неравенства называются функционально-показательными и регулярно встречаются в номерах 3 или 4 на ДВИ.
Здесь нельзя просто отбросить основание, так как мы не знаем, больше оно единицы или меньше. Необходимо рассматривать системы (перебирать случаи).
Алгоритм решения
Примеры
Пример 1. Замена и дробно-рациональное неравенство
Условие. Реши неравенство:
2x−822x+1−9⋅2x+4⩾0
Приводим к общему виду и делаем замену
Преобразуй выражение, используя свойство степеней: 22x+1=2⋅22x=2⋅(2x)2.
Получаем:
2x−82⋅(2x)2−9⋅2x+4⩾0
Введи замену t=2x, где t>0. Неравенство примет вид:
Реши относительно t методом интервалов. Нанеси точки t=21 (закрашена), t=4 (закрашена), t=8 (выколота). С учетом условия t>0 получаем:
t∈[21;4]∪(8;+∞)
Обратная замена
Сделай обратную замену:
21⩽2x⩽4⟺2−1⩽2x⩽22⟺−1⩽x⩽2.
2x>8⟺2x>23⟺x>3.
Ответ:x∈[−1;2]∪(3;+∞).
Пример 2. Разложение на множители и коварная ОДЗ
Условие. Реши неравенство:
(4x−5⋅2x+4)3x+1−9⩽0
ОДЗ
Подкоренное выражение должно быть неотрицательным:
3x+1−9⩾0⟺3x+1⩾32⟺x+1⩾2⟺x⩾1.
Анализ множителей
Произведение A⋅B⩽0 означает, что либо корень равен нулю (тогда неравенство выполняется), либо корень строго положителен, а первый множитель неположителен.
Случай 1: 3x+1−9=0⟺x=1. При x=1 левая часть обращается в ноль, что удовлетворяет нестрогому неравенству. Значит, x=1 — корень.
Случай 2: 3x+1−9>0⟺x>1.
Поскольку корень положителен, мы можем разделить на него обе части неравенства (знак неравенства не изменится):
4x−5⋅2x+4⩽0
Пусть t=2x, t>0. Тогда t2−5t+4⩽0.
Корни квадратного трехчлена t=1 и t=4.
(t−1)(t−4)⩽0⟹1⩽t⩽4
Обратная замена:
1⩽2x⩽4⟺20⩽2x⩽22⟺0⩽x⩽2
Пересечение с ОДЗ
Учтем условие рассматриваемого случая (x>1):
{0⩽x⩽2x>1⟹x∈(1;2]
Объединение ответов
Добавляем корень из первого случая (x=1) к интервалу из второго случая:
{1}∪(1;2]=[1;2]
Ответ:x∈[1;2].
Пример 3. Переменное основание (сравнение с единицей)
Условие. Реши неравенство:
(x2−5x+7)x2−4⩽1
Приводим к общему виду
Запишем правую часть как нулевую степень:
(x2−5x+7)x2−4⩽(x2−5x+7)0
Здесь основание f(x)=x2−5x+7, а показатели g(x)=x2−4 и h(x)=0.
Перейдем к совокупности трех систем:
Случай 1. Основание больше 1
{x2−5x+7>1x2−4⩽0⟺{x2−5x+6>0(x−2)(x+2)⩽0
Решаем первое неравенство системы: корни x=2 и x=3. Решение: x∈(−∞;2)∪(3;+∞).
Второе неравенство: x∈[−2;2].
Пересечение множеств: x∈[−2;2).
Случай 2. Основание от 0 до 1
(Знак неравенства для показателей меняется на противоположный).
{0<x2−5x+7<1x2−4⩾0
Условие x2−5x+7>0 выполняется при всех x, так как дискриминант D=25−28<0, а старший коэффициент положителен.
Остается x2−5x+7<1⟺x2−5x+6<0⟺x∈(2;3).
Второе неравенство: x2−4⩾0⟺x∈(−∞;−2]∪[2;+∞).
Показатель x2−4 — многочлен, определён при всех x, поэтому условие «x∈ ОДЗ показателя» здесь ничего не отсекает (оба кандидата проходят). Проверим подстановкой:
При x=2: 10⩽1 — верно.
При x=3: 15⩽1 — верно.
Следовательно, точки x=2 и x=3 входят в ответ.
Объединение
[−2;2)∪(2;3)∪{2;3}=[−2;3].
Ответ:x∈[−2;3].
Пример 4. Однородное показательное неравенство
Условие. Реши неравенство:
4⋅9x−13⋅6x+9⋅4x⩽0
Распознай однородность
Запишем основания через простые множители:
9x=(3x)2,6x=2x⋅3x=3x⋅2x,4x=(2x)2.
Неравенство стало однородным второй степени относительно 3x и 2x:
4(3x)2−13(3x)(2x)+9(2x)2⩽0.
Раздели на старшую степень
Делим обе части на 9x=(3x)2. Так как 9x>0 при любом x, знак неравенства не меняется (это деление надо обосновать в чистовике словами):
4−13⋅9x6x+9⋅9x4x⩽0⟺4−13(32)x+9(32)2x⩽0.
(Здесь использовано 9x6x=(96)x=(32)x и 9x4x=(32)2x.)
Замена
Пусть t=(32)x, причём t>0. Получаем квадратное неравенство:
9t2−13t+4⩽0.
Дискриминант D=169−144=25, корни:
t1,2=1813±5⟹t1=1,t2=94.
Парабола ветвями вверх, значит 9t2−13t+4⩽0 между корнями:
94⩽t⩽1.
Оба значения положительны, условие t>0 выполнено автоматически — терять нечего.
Обратная замена
Возвращаемся к x:
94⩽(32)x⩽1⟺(32)2⩽(32)x⩽(32)0.
Основание 32∈(0;1) — функция убывает, поэтому при снятии основания знаки неравенств меняются на противоположные:
2⩾x⩾0⟺0⩽x⩽2.
Ответ:x∈[0;2].
Пример 5. Группировка и вынесение общего множителя
Условие. Реши неравенство:
2x+23−x<9
Разнеси степени
По свойству 23−x=2x23=2x8. Неравенство принимает вид:
2x+2x8<9.
Замена
Пусть t=2x, причём t>0. Тогда:
t+t8<9.
Так как t>0, домножаем на tбез смены знака (это надо отметить):
Основание 2>1, функция возрастает, знаки сохраняются:
1<2x<8⟺20<2x<23⟺0<x<3.
Ответ:x∈(0;3).
Пример 6. Общий случай переменного основания (два функциональных показателя)
Условие. Реши неравенство:
xx+1>x4
ОДЗ
Основание степени с переменным показателем должно быть положительным: x>0. Показатели x+1 и 4 определены при всех x, дополнительных ограничений нет.
Здесь f(x)=x, g(x)=x+1, h(x)=4. Перейдём к совокупности трёх систем.
Случай 1. Основание больше 1: x>1
Функция возрастает, знак сохраняется:
{x>1x+1>4⟺{x>1x>3⟺x>3.
Случай 2. Основание от 0 до 1: 0<x<1
Функция убывает, знак меняется на противоположный:
{0<x<1x+1<4⟺{0<x<1x<3⟺0<x<1.
Случай 3. Основание равно 1: x=1
Тогда обе части равны 1, и неравенство 1>1ложно. Значит, x=1 в ответ не входит. (Показатели — многочлены, определены в x=1, так что отсекает не ОДЗ, а сама строгость неравенства.)
Объединение случаев
(0;1)∪(3;+∞).
Ответ:x∈(0;1)∪(3;+∞).
Пример 7. Метод монотонности: разные основания, не сводимые к одному
Условие. Реши неравенство:
3x+4x>5x
Почему стандартные приёмы не работают
Основания 3,4,5 к одному не сводятся, замена t=ax невозможна (нет общей функции), однородности тоже нет. Работаем монотонностью.
Раздели на старшую степень
Делим обе части на 5x>0 (знак сохраняется):
(53)x+(54)x>1.
Исследуй левую часть
Обозначим
φ(x)=(53)x+(54)x.
Оба основания 53 и 54 лежат в (0;1), значит каждое слагаемое строго убывает. Сумма строго убывающих функций строго убывает на всей оси. Поэтому уравнение φ(x)=1 имеет не более одного корня.
Угадай границу
Подставим x=2:
φ(2)=259+2516=2525=1.
Значит x=2 — единственная точка, где φ(x)=1.
Сними неравенство по монотонности
Так как φ строго убывает, φ(x)>1=φ(2) выполняется в точности при x<2:
φ(x)>1⟺x<2.
Ответ:x∈(−∞;2).
Пример 8. Показательное неравенство с параметром
Условие. При каких x выполняется неравенство (в зависимости от параметра a>1):
4x−(a+1)⋅2x+a⩽0
Замена
Так как 4x=(2x)2, положим t=2x, t>0:
t2−(a+1)t+a⩽0.
Разложи на множители
По теореме Виета корни трёхчлена — это t=1 и t=a (сумма 1+a, произведение a):
(t−1)(t−a)⩽0.
Реши относительно t с учётом параметра
Так как по условию a>1, имеем 1<a, парабола ветвями вверх, решение между корнями:
1⩽t⩽a.
Оба корня положительны, условие t>0 выполнено.
Обратная замена
Основание 2>1, функция возрастает, знаки сохраняются:
1⩽2x⩽a⟺20⩽2x⩽a⟺0⩽x⩽log2a.
Ответ (при a>1):x∈[0;log2a].
Частые ошибки
Что запомнить
Если a>1, знак при снятии основания сохраняется. Если 0<a<1 — меняется на противоположный. Проговаривай это словами в чистовике: «функция ax возрастает/убывает».
Любая замена t=ax сопровождается строгим условием t>0; часть ответа с t⩽0 отбрасывается с комментарием.
При переменном основании f(x) вводи строгую систему из трех случаев: f(x)>1, 0<f(x)<1 и f(x)=1. В ветке f(x)=1 проверяй ОДЗ показателей — там прячется исключаемая точка.
Однородное неравенство (степени a2x, axbx, b2x) дели на старшую степень — знак не меняется, так как b2x>0.
Слагаемые с разными показателями, но одинаковыми основаниями (например 5x+1 и 5x−1), всегда приводи к наименьшей степени (5x−1) и выноси ее за скобку.
Если оснований несколько и они не сводятся к одному — работай монотонностью суммы.
Оформление под рубрику ДВИ
ДВИ — письменный экзамен, оценка по outcomes-рубрике «±»: важен не только ответ, но и полнота обоснований. Лист формул не выдают, поэтому все равносильные переходы нужно мотивировать самому. Ниже — эталон того, как оформить решение показательного неравенства, чтобы не потерять «±», и список типичных снятий.
Стратегия на ДВИ
Проверь себя
При каком условии в неравенстве af(x)⩾ag(x) знак меняется на противоположный при снятии основания?
Какое ограничение обязательно сопровождает замену t=2x?
Сколько систем входит в совокупность при решении f(x)g(x)⩾f(x)h(x) с переменным основанием?
Как решается однородное неравенство 4⋅9x−13⋅6x+9⋅4x⩽0?