Bài tập bất phương trình hữu tỉ và vô tỉ

Chia sẻ: Trần Bá Trung | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:15

Thêm vào BST

Báo xấu

859
lượt xem 196
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bất phương trình hữu tỉ và vô tỉ Giả sử f(x) và g(x) là các hàm số xác định trên các miền D và E tương ứng. Giải bất phương trình f(x) g(x) (hay f(x) ≥ g(x)) nghĩa là tìm tất cả các điểm xo ∈ D ∩ E sao cho f(xo) g(xo) (hay f(xo ≥ g(xo)) là bất đẳng thức đúng. Tập hợp các điểm xo như vậy được gọi là tập hợp nghiệm của bất phương trình. Hai bất phương trình được gọi là tương đương nếu hai tập hợp nghiệm tương ứng của chúng là trùng...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài tập bất phương trình hữu tỉ và vô tỉ

Bài 4 . Bất phương trình hữu tỉ và vô tỉ Giả sử f(x) và g(x) là các hàm số xác định trên các miền D và E tương ứng. Giải bất phương trình f(x) > g(x) (hay f(x) ≥ g(x)) nghĩa là tìm tất cả các điểm xo ∈ D ∩ E sao cho f(xo) > g(xo) (hay f(xo ≥ g(xo)) là bất đẳng thức đúng. Tập hợp các điểm xo như vậy được gọi là tập hợp nghiệm của bất phương trình. Hai bất phương trình được gọi là tương đương nếu hai tập hợp nghiệm tương ứng của chúng là trùng nhau. Ta dùng dấu ⇔ để chỉ sự tương đương của hai bất phương trình. 1. Bất phương trình hữu tỉ Trong bất phương trình f(x) > g(x) mà f và g đều là các hàm hữu tỉ thì nó được gọi là bất phương trình hữu tỉ. 1.1. Bất phương trình bậc nhất Đó là bất phương trình dạng ax + b > 0 (1) (hoặc ax + b > 0, ax + b ≥ 0, ax + b ≤ 0) a) Nếu a = 0 thì (1) ⇔ 0x + b > 0. Do đó nếu b > 0 thì (1) nghiệm đúng với ∀x ∈ R nếu b < 0 thì (1) vô nghiệm. b b) Nếu a > 0 thì (1) ⇔ x > − . a  b  Tập nghiệm là  − , ∞   a  b  b c) Nếu a < 0 thì (1) ⇔ x < − . Tập nghiệm là  −∞,  . a  a Ví dụ 1. Giải bất phương trình (a 2 + a + 1)x + a 3 − a > 0, (2) (a là tham số). a − a3 Vì a 2 + a + 1 > 0 nên (1) ⇔ x > . a2 + a + 1
Ví dụ 2. Giải bất phương trình (ẩn x) (a + 1)x + (a 2 + 2) ≥ 0 (3) Giải. a) a = − 1, (3) nghiệm đúng với mọi x. a2 + 2 b) a > − 1, (3) ⇔ x > − . a +1 a2 + 2 c) a < − 1, (3) ⇔ x < − a +1 Ví dụ 3. Giải hệ bất phương trình 2x + 3 > 0  (4)  x−3≤0  3 x > −  3  Hệ (4) ⇔  2 ⇔ x ∈  − , 3 . x ≤ −3  2   1.2. Bất phương trình bậc hai 1.2.1. Xét bất phương trình bậc hai ax 2 + bx + c > 0 (hoặc ax 2 + bx + c ≥ 0), a ≠ 0, a, b, c ∈ R. Xét bất phương trình f(x) : = ax 2 + bx + c > 0, a ≠ 0 (5)  b  2 ∆  Ta có f(x) = a  x +  −  , ∆ = b 2 − 4ac.   2a  4a 2   a) Giả sử ∆ < 0. Khi đó + nếu a > 0 thì f(x) luôn luôn dương và (5) nghiệm đúng với mọi x. + nếu a < 0 thì (5) vô nghiệm b) Giả sử ∆ = 0. + nếu a > 0 thì (5) có tập nghiệm  b   b   −∞, −  ∪  − , + ∞   2a   2a  + nếu a < 0 thì (5) vô nghiệm.
c) Giả sử ∆ > 0. Khi đó f(x) = a(x − x 1 )(x − x 2 ), trong đó −b − ∆ −b + ∆ x1 = , x2 = 2a 2a Từ đó : + Nếu a > 0 thì (5) có tập nghiệm ( −∞ , x 1 ) ∪ (x 2 , + ∞ ) + Nếu a < 0 thì (5) có tập nghiệm là (x 2 , x 1 ). Ví dụ 4. Giải bất phương trình 2x 2 − 3x + 1 < 0 (6) Giải. Tam thức bậc hai 2x 2 − 3x + 1 có 2 nghiệm 1 1  x1 = , x 2 = 1 và a = 2 > 0. Vì vậy (6) có tập nghiệm là  , 1 . 2 2  Ví dụ 5. Tìm a để phương trình (a − 2)x 2 − 2ax + 2a − 3 = 0 (7) Có hai nghiệm phân biệt. Giải. (7) có hai nghiệm phân biệt khi và chỉ khi a ≠ 2 a ≠ 2  a ≠ 2  ⇔  2 ⇔  ∆ > 0 4a − 4(a − 2)(2a − 3) > 0  −4(a − 1)(a − 6) > 0 ⇔ a ∈ (1, 2) ∪ (2, 6). Ví dụ 6. Tìm a để mọi nghiệm của bất phương trình x 2 − 3x + 2 < 0 (8) cũng là nghiệm của bất phương trình f(x) : = ax 2 − (3a + 1)x + 3 > 0 (9) Giải. (8) có tập nghiệm là (1, 2). 1 Phương trình f(x) = 0 (với a ≠ 0) có nghiệm là và 3. a a) a = 0. Khi đó (9) ⇔ x < 0 và như vậy a = 0 là giá trị cần tìm.
1 1  b) a < 0. Khi đó < 1 < 2 < 3 và do đó (1, 2) ⊂  , 3  . Vậy a < 0 a a  cũng thỏa mãn. c) Xét a > 0 1 1 c 1 ) Nếu 3 < ( ⇔ a < a < ) thì miền nghiệm của (9) là ( −∞ , 3) ∪ a 3 1   , ∞  ⊃ (1, 2) a  1 Như vậy 0 < a < cũng thỏa mãn đầu bài. 3 1 1  1 c 2 ) Xét ≤ 3 ( ⇔ a ≥ ) thì (9) có tập nghiệm M  −∞,  ∪ (3, + ∞ ). a 3  a 1 1 Để M ⊃ (1, 2) điều kiện cần và đủ là 2 ≤ ⇔a≤ . a 2 Kết hợp l ại ta thấy tập hợp các giá trị a cn tìm là { 1 } 1 1 1  a∈R : ≤ a ≤ =  ,  . 3 2 3 2  1.2.2. Định lí đảo về tam thức bậc hai Giả sử f(x) = ax 2 + bx + c, a ≠ 0. a) Nếu tồn tại α sao cho af( α ) < 0 thì ∆ > 0 và f(x) có hai nghiệm x 1 và x 2 thỏa mãn x1 < α < x2 b) Nếu tồn tại α sao cho ∆ > 0f  af(α ) > 0 thì f(x) có hai nghiệm x 1 < x 2 và α ∉ [x 1 , x 2 ]. c) Nếu tồn tại α sao cho ∆>0 af( α ) = 0 b b − > α (tương ứng − < α ), 2a 2a
thì hai nghiệm x 1 , x 2 của f(x) thỏa mãn α < x 1 < x 2 (tương ứng x 1 < x 2 < α ). d) Nếu tồn tại hai số α và β ( α < β ) sao cho f( α )f( β ) < 0 thì trong khoảng ( α , β ) f(x) có đúng một nghiệm. Ví dụ 7. Tìm tất cả các số a sao cho phương trình x 2 − 2(a − 1)x + (2a + 1) = 0 (1) có hai nghiệm dương phân biệt. Giải. Theo 1.2.2.b), điều kiện cần và đủ để (10) có hai nghiệm dương phân biệt là : ∆ ' > 0 a(a − 4) > 0 1.f(0) > 0 ⇔ a − 1 > 0  ⇔   2a + 1 > 0 − b > 0   2a  ⇔ a ≥ 4 ⇔ a ∈ [4, + ∞ ). Ví dụ 8. Tìm tất cả các số a sao cho phương trình f(x) : = 2x 2 − 2(2a + 1)x + a(a − 1) = 0 (11) có hai nghiệm x 1 , x 2 thỏa mãn x 1 < a < x 2 . Giải. Theo 1.2.2.a), điều kiện cần và đủ để (11) có hai nghiệm x 1 , x 2 thỏa mãn x 1 < a < x 2 là 2.f(a) = 2a 2 − 2(2a + 1)a + a(a − 1) < 0 ⇔ − a 2 − 3a < 0 ⇔ a ∉ [ − 3, 0]. Ví dụ 9. Tìm a để bấtphương trình f(x) : = x 2 + ax + a 2 + 6a < 0 (12) có ít nhất một nghiệm thuộc khoảng (1, 2). Giải. Đầu tiên, nhận xét rằng (12) có nghiệm khi và chỉ khi ∆ > 0 ⇔ − 3a 2 − 24a > 0 ⇔ a(a + 8) < 0 ⇔ a ∈ ( − 8, 0) (13) Khi đó, (12) có tập nghiệm
 −a − −3a(a + 8) −a + −3a(a + 8)  M= ,   2 2  −a + −3a(a + 8) M ∩ (1, 2) = ∅ ⇔ ≤ 1 (14) 2 −a − −3a(a + 8) ≥ 2 (15) 2 (13) & (14) ⇔ −3a(a + 8) ≤ a + 2 ⇔ a ≥ −2   2 −7 + 45 a ≥ ⇔ a + 7a + 1 ≥ 0 ⇔  2  −8 < a < 0 −8 < a < 0  −7 + 45 ⇔ < a < 0 (16) 2 (13) & (15) ⇔ − 8 < a ≤ −4 − 12 (17) −7 + 45 Từ đó M ∩ (1, 2) ≠ ∅ ⇔ −4 − 2 3 < a < . 2 1.3. Bất phương trình đại số bậc cao Đó là bất phương trình có dạng f(x) := a o x n + a1x n −1 + ... + a n −1x + a n > 0 , (18) trong đó ao, ..., an ∈ R, ao ≠ 0. Cách giải (18) thường được sử dụng là phân tích f(x) dưới dạng tích f(x) = a o (x − α1 )k1 ...(x − α m )k m (x 2 + p1x + q1 )l1 ... ...(x2 + p r x + q r )l r , (18') trong đó α 1 < α 2 < ... < α m và p1 − 4q1 < 0 , ..., p 2 − 4q r < 0 . 2 r Sau đó lập bảng xét dấu để tìm các khoảng nghiệm. Ví dụ 10. Giải bất phương trình
(x − 3)(3+ x)(2 − x) > 0 (19) Giải. (19) ⇔ [x − ( − 3)](x − 2)(x − 3) < 0. Lập bảng xét dấu ta nhận được (19) ⇔ x ∈ ( −∞ , − 3) ∪ (2, 3) Ví dụ 11. Giải bất phương trình f(x) = (x + 3)(x + 2) 5 (2 − x) 3 (2x + 2) 2 (20) Giải. Phương trình có các nghiệm − 3, − 2, − 1, 2. (20) ⇔ [x − ( − 3)][(x − ( − 2)]5 (x − 2) 3 [x − ( − 1)]2 (21) Ta có sơ đồ sau : Từ đó (20) ⇔ x ∈ ( −∞ , − 3) ∪ ( − 2, − 1) ∪ ( − 1, 2). Nhận xét. Nếu f(x) có dạng (18') thì dấu của f(x) cùng dấu với g(x) : = a o (x − α1 )k1 ...(x − α m )k m . Từ đó f(x) > 0 ⇔ g(x) > 0. Giả sử ao > 0. Khi đó g(x) > 0 trên ( α m, + ∞ ). Nếu km chẵn thì g(x) vẫn dương trên ( α m−1 , α m) Nếu km lẻ thì g(x) < 0 trên (α m −1, α m ) . Tương tự, nếu biết dấu của g(x) trên khoảng (ai, ai +1 ) thì dấu của g(x) giữ nguyên hay đổi dấu tùy thuộc vào ki chẵn hay lẻ. Bằng cách đó ta xác định được dấu của g(x) trên mỗi khoảng (ai, ai +1 ). Từ đó tập nghiệm của bất phương trình f(x) > 0 (hay < 0) là hợp của các khoảng mà g(x) > 0 (hay g(x) < 0). Ví dụ 12. Giải các bất phương trình a) f = x 4 − 10x 3 + 35x 2 − 50x + 24 > 0, (22) b) g = 3x 4 − 24x 3 + 53x 2 − 20x − 12 < 0 (23) Gợi ý. a) (22) ⇔ (x − 1)(x − 2)(x − 3)(x − 4) > 0. Đáp số x ∈ ( −∞ , 1) ∪ (2, 3) ∪ (4, + ∞ ).  4   4  b) (23) ⇔  x − 2 +  (x − 1)(x − 3)  x − 2 − 
 4   4  ⇔ x∈2 − , 1  ∪  3, 2 + .  3   3 1.4. Bất đẳng thức phân thức Đó là các bất đẳng thc dạng f(x) f(x) f(x) f(x) >0, 0 ⇔ f(x)g(x) > 0, g(x) f(x) f(x)g(x) < 0 b) (24) x−2 2 x+2 (24) ⇔ > 0 ⇔ (x − 2)(x + 2) > 0 2(x − 2) ⇔ x ∈ ( −∞ , − 2) ∪ (2, + ∞ ). 1 1 1 Ví dụ 14. Giải bất phương trình + ≤ (25) x − 2 x −1 x x2 − 2 Giải. (25) ⇔ ≤0 x(x − 1)(x − 2) (x − 2)(x − 1)x(x − 2)(x + 2) ≤ 0  ⇔ (26) x(x − 1)(x − 2) ≠ 0  Sử dụng nhận xét trong mục 1.3 ta có (26) ⇔ x ∈ ( −∞ , − 2 ] ∪ (0, 1) ∪ [ 2 , 2).
Ví dụ 15. Tìm a sao cho hệ bất phương trình  x 2 + ax − 2  2 −3  x − x +1 nghiệm đúng với mọi x.  x 2 − (a + 2)x + 4  >0  x2 − x + 1 Giải. (27) ⇔   4x 2 + (a − 3)x + 1  >0  x2 − x + 1 x 2 − (a + 2)x + 4 > 0  ⇔  (28) 4x 2 + (a − 3)x + 1 > 0  Vậy để (27) nghiệm đúng với mọi x cần và đủ là ∆1 : = (a + 2)2 − 16 < 0   (29) ∆ 2 : = (a − 3)2 − 16 < 0  (a + 6)(a − 2) < 0 ⇔ ⇔ a ∈ ( − 6, 2) ∩ ( − 1, 7) (a − 7)(a + 1) < 0 ⇔ a ∈ ( − 1, 2) hay − 1 < a < 2. Ví dụ 15. Giải và biện luận bất phương trình x 2 − 5x + 6 − a g(x) = > 0 (30) x −1 Giải. Kí hiệu f(x) = x 2 − 5x + 6 − a. Biệt thức của f là ∆ = 4a + 1. 1 a) Nếu a < − thì f(x) > 0 với ∀ x ∈ R. Khi đó g(x) > 0 ∀ x > 1. 4 2  5 x −  b) Nếu a = − thì g(x) =  2  > 0 khi x > 1 và x ≠ 5 . 1 4 x −1 2 1 c) Xét a > − . 4
 5− 4 +1  x < = x1  f(x) > 0  2    5+ 4 +1 g(x) > 0 ⇔  x − 1 > 0 ⇔    x >  = x2  f(x) < 0  2   x > 1  x − 1 < 0    x1 < x < x 2   x < 1  1 + Nếu 1 < x 1 ⇔ − < a < 2 thì hệ đầu cho ta 1 < x < x 1 hoặc x > x 2 4 còn hệ sau vô nghiệm. + Nếu x 1 = 1 ⇔ a = 2 thì hệ sau vô nghiệm còn hệ đầu cho ta x > 4. + Nếu x 1 < 1 ⇔ a > 2 thì hệ sau cho x > x 2 còn hệ đầu cho x 1 < x < 1 hoặc x > x 2 . 1 Tóm lại a) a < − : x ∈ (1, + ∞ ) 4 b) a = − 1 4 : x ∈ (1, + ∞ )\ 5 2{} c) a < 2 : x ∈ (1, x 1 ) ∪ (x 2 , + ∞ ) d) a = 2 : x ∈ (4, + ∞ ) e) a > 2 : x ∈ (x 1 , 1) ∪ (x 2 , + ∞ ). 2. Bất phương trình vô tỉ Đó là bất phương trình dạng f(x) > 0 (f(x) < 0), trong đó f(x) là hàm mà ẩn x có mặt dưới căn. Trong quá trình giải người ta thường sử dụng các phép biến đổi tương đương sau : a) 2n +1 f(x) > g(x) ⇔ f(x) > g2x +1 (x)  g(x) ≤ 0  2n f(x) > g(x) ⇔  f(x) > 0 b)  g(x) ≥ 0    f(x) > g (x) 2n c) 2n f(x) < g(x) ⇔ f(x) < g2n +1 (x)
f(x) ≥ 0 d) 2n f(x) < g(x) ⇔ g(x) ≥ 0   2n f(x) < g (x)  f(x) = 0 Chú ý. 1) Bất phương trình f(x) ≥ 0 ⇔   f(x) > 0 2) Khi giải bất phương trình vô tỉ cần phải xác định tập xác định, sau đó thực hiện các phép biến đổi tương đương trên tập xác định của hàm. Ví dụ 1. Giải bất phương trình (x − 1) x 2 − x − 2 ≥ 0 (1)  x − 1 ≥ 0   x ≥ 1     x2 − x − 2 ≥ 0   (x − 2)(x + 1) ≥ 0 Giải. (1) ⇔  ⇔   x − 1 ≤ 0 x ≤ 1     x 2 − x − 2 = 0   x2 − x − 2 ≤ 0   x ≥ 2 ⇔  ⇔ x ∈ { − 1} ∪ [2, + ∞ ).  x = −1 Ví dụ 2. Giải bất phương trình −x 2 + 6x − 5 > 8 − 2x (2)  8 − 2x ≥ 0   x ≤ 4    2   −x + 6x − 5 > 8 − 2x  2  −x + 6x − 5 > (8 − 2x)  2 (2) ⇔  ⇔   8 − 2x < 0   x > 4    2  2   −x + 6x − 5 > 8 − 2x  −x + 6x − 5 ≥ 0   x ≤ 4   (x − 3)  x − 23  < 0   3 < x ≤ 4 ⇔   5 ⇔  ⇔ 3 < x ≤ 5.  4 < x ≤ 5  x > 4  (x − 1)(x − 5) ≤ 0  Ví dụ 3. Giải bất phương trình 4x − 6 > 16x − 2x 2 (3)
4x − 6 ≥ 0  x ≥ 1,5 Giải. (3) ⇔ 6x − 2x 2 ≥ 0 ⇔   (x − 1)(x − 2) > 0 (4x − 6) > 6x − 2x 2 2 ⇔ 2 < x ≤ 3. 2 − x + 4x − 3 Ví dụ 4. ≥2 x  x > 0   x > 0      2 − x + 4x − 3 ≥ 2x    2 − x ≥ 3 − 2x  (4) ⇔  ⇔   x 0   3 − 2x < 0  2 − x ≥ 0  3  2 < x ≤ 2  x > 0   3 − 2x ≥ 0 1 ≤ x ≤ 2 ⇔ 1 ≤ x ≤ ⇔  3 ⇔   2 x < 0  2 − x ≥ (3 − 2x)2   x < 0   x < 0  3 − 2x ≥ 0  2 − x ≥ 0   2 − x ≤ (3 − 2x)2   Ví dụ 5. Giải bất phương trình x 2 − 8x + 15 + x 2 + 2x − 15 > 4x 2 − 18x + 18 (5) Giải. Tập xác định gồm các x ∈ R thỏa mãn x 2 − 8x + 15 ≥ 0  x ≤ 3 ∨ x ≥ 5  2 x ≤ −5 ∨ x ≥ 3 x + 2x − 15 ≥ 0 ⇔   2   4x − 18x + 18 ≥ 0  x ≤ − 3 ∨ x ≥ 3   2 Vậy D = {3} ∪ ( −∞ , − 5] ∪ [5, + ∞ ). x = 3 không là nghiệm. Vậy
x ≥5  (5) ⇔   x2 − 8x + 15 + x 2 + 2x − 15 > 4x 2 − 18x + 18  x ≥5  ⇔   x2 − 8x + 15 x 2 + 2x − 15 > (x − 3)2  x ≥5  ⇔  (x − 3) (x − 25) > (x − 3) 2 2 4  x ≥5  x ≥5 17 ⇔  ⇔  ⇔x≥ . x − 25 > (x − 3) 6x ≥ 34 2 2 3  Ví dụ 6. Giải bất phương trình 1 1 x −1 x− − 1− > (6) x x x Tập xác định gồm các x thỏa mãn  (x + 1)(x − 1)  ≥0 x + 1 ≥ 0  x   ⇔ x −1 ⇔ x ∈ [ − 1, 0) ∪ [1, + ∞ ) x −1 ≥ 0  x ≥0   x  Với x như vậy, để x là nghiệm của (6) thì 1 1 x− > 1 − ⇔ x > 1. x x 2 x −1 x −1  x −1 Trên (1, + ∞ ), (6) ⇔ x +1 − >   x x  x  x −1 x −1 ⇔ x +1 −1 > ⇔ x +1 − > 1 (7) x x x −1 x2 − 1 ⇔ x +1+ −2 >1 (vì vế trái của (7) dương) ⇔ x x x2 − 1 − 2 x 2 − 1. x + x > 0 ( ) 2 ⇔ x2 − 1 − x >0
Vậy tập nghiệm của (6) là (1, + ∞ ). Ví dụ 7. Giải và biện luận (x − a)(x + a − 2) ≥ 2x − a − 1 (7) Điều kiện (x − a)(x + a − 2) ≥ 0 ⇔ (x − 1) 2 − (a − 1) 2 ≥ 0 x ≥ 1 + a − 1  ⇔  (8) x ≤ 1 − a − 1  (7) ⇔ (x − 1)2 − (a − 1)2 ≥ 2(x − 1) − (a − 1)  (x − 1)2 ≥ (a − 1)2    2(x − 1) − (a − 1) ≤ 0  ⇔   (x − 1)2 − (a − 1)2 ≥ [2(x − 1) − (a − 1)]2    2(x − 1) − (a − 1) ≥ 0   x ≥ 1 + a − 1   x ≤ 1 − a − 1 x ≤ 1 − a − 1     x ≤ 1 + a − 1  x = 1 ⇔  2 ⇔  x = a     2 2  (x − 1) + 2[(x − 1) − (a − 1)] ≤ 0 x > 1 + a − 1    a −1 2  x > 1 +   2 ⇔ x ≤ 1− a −1 . Ví dụ 8. Giải bất phương trình 2 x + a > x + 1 (10) Giải. Tập xác định {x : x ≥ − a}. Khi đó  x + 1 < 0   −a ≤ x < −1  x + a ≥ 0  (10) ⇔  ⇔  1 − 2 a < x < 1 + 2 a  x + 1 ≥ 0    x > −1   4(x + 1) > (x + 1)2   Từ đó, nếu + 0 < a ≤ 1 thì 1 − 2 a < x < 1 + 2 a 1
+ a > 1 thì − a ≤ x < 1 + 2 a a ≤ 0 thì phương trình vô nghiệm.