Модуль (абсолютная величина) встречается в задачах ДВИ повсеместно: как самостоятельная тема (тип 3 — неравенства) и как усложняющий элемент в логарифмах, тригонометрии или задачах с параметром. Главное правило при решении любых задач с модулем — строго следовать определению и равносильным переходам. На ДВИ проверяющие особенно внимательно смотрят на то, как обосновано раскрытие модуля и не потеряны ли куски числовой прямой.
Из определения следует ключевое свойство: модуль любого выражения всегда неотрицателен (∣a∣⩾0). Также полезно помнить тождества: ∣a∣2=a2 и a2=∣a∣.
Основные методы избавления от модуля
Решить неравенство с модулем — значит избавиться от знака модуля, перейдя к системе или совокупности обычных алгебраических неравенств. Есть несколько глобальных подходов: два «прямых» (равносильные переходы для одиночного модуля и метод промежутков) плюс специальный быстрый приём для случая «модуль против модуля» (разность квадратов) и геометрический взгляд.
1. Метод равносильных переходов
Если модуль в неравенстве один (или неравенство имеет специфический вид), его можно раскрыть по схемам равносильности, не разбивая ось на промежутки. Это сильно экономит время и снижает риск ошибки в вычислениях.
2. Метод промежутков (универсальный)
Если в неравенстве несколько модулей, модули складываются или делятся друг на друга, применяется метод промежутков. Он работает всегда.
3. Метод разности квадратов (модуль против модуля)
Когда модули стоят по обе стороны знака сравнения — вида ∣f(x)∣∨∣g(x)∣, где ∨ один из знаков <,⩽,>,⩾, — самый быстрый путь не промежутки, а возведение в квадрат. Оно строго равносильно, потому что обе части неотрицательны (∣f∣⩾0 и ∣g∣⩾0), а на неотрицательных числах возведение в квадрат сохраняет порядок.
4. Геометрическая интерпретация (модуль как расстояние)
∣x−a∣ — это расстояние от точки x до точки a на числовой прямой. Этот взгляд превращает многие неравенства в устную геометрию и страхует от арифметических ошибок.
Ключевой факт про сумму расстояний: если x лежит междуa и b, то ∣x−a∣+∣x−b∣ равна фиксированному расстоянию ∣a−b∣ (минимально возможное значение). Стоит выйти за отрезок — сумма начинает расти. Это даёт мгновенное решение неравенств вида ∣x−a∣+∣x−b∣⩽c.
Примеры
Пример 1. Классический метод промежутков
Реши неравенство ∣x+1∣+∣x−2∣⩽5.
Разбиваем ось на промежутки
Нули подмодульных выражений: x=−1 и x=2. Они разбивают числовую прямую на три промежутка. Рассмотрим каждый из них.
Случай 1: x∈(−∞;−1)
Оба подмодульных выражения отрицательны. Раскрываем со знаком минус:
−(x+1)−(x−2)⩽5⟺−2x+1⩽5⟺−2x⩽4⟺x⩾−2.
Пересекаем с условием случая: x∈(−∞;−1)∩[−2;+∞)⟹x∈[−2;−1).
Случай 2: x∈[−1;2)
Выражение x+1⩾0, а x−2<0.
(x+1)−(x−2)⩽5⟺x+1−x+2⩽5⟺3⩽5.
Получили верное числовое неравенство. Это значит, что решением является весь рассматриваемый промежуток: x∈[−1;2).
Случай 3: x∈[2;+∞)
Оба выражения неотрицательны.
(x+1)+(x−2)⩽5⟺2x−1⩽5⟺2x⩽6⟺x⩽3.
Пересекаем с условием случая: x∈[2;+∞)∩(−∞;3]⟹x∈[2;3].
Пример 1b. То же неравенство — геометрически, за 20 секунд
Реши неравенство ∣x+1∣+∣x−2∣⩽5 через расстояния.
Переводим модули в расстояния
Перепишем модули как расстояния: ∣x+1∣=∣x−(−1)∣ — расстояние от x до точки −1; ∣x−2∣ — расстояние от x до точки 2. Неравенство требует, чтобы сумма расстояний от x до точек −1 и 2 не превышала 5.
Минимум суммы на отрезке
Расстояние между самими точками −1 и 2 равно ∣2−(−1)∣=3. Если x лежит на отрезке [−1;2], сумма расстояний равна ровно 3 (это её минимум) — условие 3⩽5 выполнено всюду на отрезке.
Выходим за отрезок
Выходя за отрезок вправо на величину t>0 (то есть x=2+t), мы добавляем t к каждому из двух расстояний? Нет — точнее: сумма становится 3+2t (удаляемся от обеих точек, но от ближней 2 на t, а от дальней −1 — тоже на t сверх прежнего). Условие 3+2t⩽5⟺t⩽1, то есть x⩽3. Симметрично влево: x=−1−t, сумма 3+2t⩽5⟺t⩽1, то есть x⩾−2.
Собираем ответ
Собирая: отрезок [−1;2] плюс «хвосты» по 1 влево и вправо дают x∈[−2;3].
Ответ:x∈[−2;3] — тот же, что в Примере 1, но без перебора случаев.
Пример 2. Равносильные переходы без промежутков
Реши неравенство ∣x2−4x∣<5.
Применяем равносильный переход
Использовать метод промежутков здесь долго, так как корни подмодульного выражения (0 и 4) разобьют ось, и придется решать квадратичные неравенства на каждом участке. Воспользуемся схемой равносильности для знака «меньше». Здесь правая часть g=5>0, так что система применима напрямую:
∣x2−4x∣<5⟺{x2−4x<5,x2−4x>−5.
Решаем систему квадратных неравенств
Решаем систему двух квадратных неравенств:
x2−4x−5<0. Корни левой части: x1=5,x2=−1. Ветви параболы вверх, значит, решение: x∈(−1;5).
x2−4x+5>0. Дискриминант D=16−20=−4<0. Ветви параболы вверх, корней нет. Значит, выражение строго положительно при любых x. Решение: x∈R.
Пересекаем решения
Пересекаем решения системы: (−1;5)∩R=(−1;5).
Ответ:x∈(−1;5).
Пример 3. Вложенные модули (уровень ДВИ)
Реши неравенство ∣x2−x∣−2⩽x.
Раскрываем внешний модуль
Перед нами модуль в модуле и переменная в правой части. Сразу отметим: правая часть g=x должна быть неотрицательна, иначе решений нет (модуль слева неотрицателен). Значит, заведомо x⩾0 — это держим в голове. Если раскрывать по промежуткам, запутаемся в интервалах. Применим равносильный переход для внешнего модуля:
Второе условие совокупности x2−2x+2⩽0 не имеет решений (D<0).
Первое условие дает x∈(−∞;−2]∪[2;+∞).
Пересекаем результаты и проверяем ограничение
Теперь нужно пересечь результаты решения обоих неравенств исходной системы.
Нам нужно найти пересечение отрезка [1−3;1+3] и множества (−∞;−2]∪[2;+∞).
Сравним границы:
1−3≈1−1,73=−0,73.
−2≈−1,41.
Так как −0,73>−1,41, левая часть отрезка не пересекается с (−∞;−2].
Далее, 1+3≈2,73.
2≈1,41.
Так как 1,41<2,73, правая часть отрезка пересекается с лучом [2;+∞) по промежутку [2;1+3].
Осталось проверить условие x⩾0 (правая часть исходного неравенства): весь полученный отрезок [2;1+3] лежит правее нуля, так что ограничение выполнено и ничего не отсекает.
Ответ:x∈[2;1+3].
Пример 4. Модуль против модуля — разность квадратов
Реши неравенство ∣2x−1∣⩾∣x+3∣.
Возводим в квадрат
По обе стороны стоят модули, обе части неотрицательны — применяем метод разности квадратов:
∣2x−1∣⩾∣x+3∣⟺(2x−1)2⩾(x+3)2⟺(2x−1)2−(x+3)2⩾0.
Раскладываем разность квадратов
Раскладываем по формуле разности квадратов A2−B2=(A−B)(A+B) с A=2x−1, B=x+3:
((2x−1)−(x+3))((2x−1)+(x+3))⩾0.
Считаем скобки:
(2x−1−x−3)(2x−1+x+3)=(x−4)(3x+2)⩾0.
Метод интервалов
Нули множителей: x=4 и x=−32. Произведение двух линейных множителей с положительным старшим коэффициентом (3>0) неотрицательно вне корней:
x∈(−∞;−32]∪[4;+∞).
Проверяем концы
Проверка концов. При x=−32: ∣2⋅(−32)−1∣=∣−37∣=37 и ∣−32+3∣=∣37∣=37 — равенство, граница входит (знак нестрогий). При x=4: ∣8−1∣=7 и ∣4+3∣=7 — снова равенство, граница входит.
Ответ:x∈(−∞;−32]∪[4;+∞).
Пример 5. Модуль в знаменателе — следим за ОДЗ
Реши неравенство x−3∣x−1∣⩽1.
ОДЗ и общий знаменатель
ОДЗ. Знаменатель не равен нулю: x=3.
Переносим всё в одну часть и приводим к общему знаменателю (умножать на x−3 напрямую нельзя — его знак неизвестен):
x−3∣x−1∣−1⩽0⟺x−3∣x−1∣−(x−3)⩽0⟺x−3∣x−1∣−x+3⩽0.
Раскроем модуль в числителе по двум случаям относительно точки x=1.
Случай A: x⩾1
Тогда ∣x−1∣=x−1, числитель =(x−1)−x+3=2. Неравенство принимает вид
x−32⩽0⟺x−3<0⟺x<3.
Пересекаем с условием случая x⩾1: получаем x∈[1;3).
Случай B: x<1
Тогда ∣x−1∣=−(x−1)=1−x, числитель =(1−x)−x+3=4−2x. Неравенство:
x−34−2x⩽0.
Нули: числитель 4−2x=0⟹x=2; знаменатель x=3. Но мы в случае x<1, где 4−2x=4−2x>4−2=2>0 (числитель положителен), а знаменатель x−3<1−3=−2<0 (отрицателен). Дробь «плюс на минус» отрицательна — неравенство выполнено для всего промежутка x<1.
Пересекаем с условием случая: x∈(−∞;1).
Объединяем и проверяем
Объединяем: (−∞;1)∪[1;3)=(−∞;3). Точка x=3 исключена ОДЗ — она и так не вошла.
Проверка. При x=0: 0−3∣0−1∣=−31=−31⩽1 — верно. При x=4 (вне ответа): 4−3∣4−1∣=13=3⩽1 — ложно, правильно исключили.
Ответ:x∈(−∞;3).
Частые ошибки
Что запомнить
Равносильные переходы быстрее. Если неравенство имеет вид ∣f(x)∣⩽g(x) или ∣f(x)∣⩾g(x), не ищи нули подмодуля — сразу переходи к системе или совокупности.
Модуль против модуля — квадрируй. Для ∣f∣∨∣g∣ обе части неотрицательны, поэтому f2∨g2⟺(f−g)(f+g)∨0 — самый быстрый путь.
Расстояние.∣x−a∣ — расстояние от x до a; сумма ∣x−a∣+∣x−b∣ минимальна (и равна ∣a−b∣) на отрезке между a и b. Это решает многие неравенства устно.
Следи за знаком g(x). Перед раскрытием схемы проверь правую часть: для «<» при g<0 решений нет; для «>» при g<0 решение — вся ОДЗ.
Знаменатель с модулем — это ОДЗ. Не умножай на знаменатель неизвестного знака; работай через общий знаменатель и условие Q(x)=0.
Вложенные модули раскрывай снаружи. Если применить схемы равносильности к внешнему модулю, задача распадается на две более простые.
Рисуй оси. В методе промежутков всегда рисуй числовую прямую для каждого случая: отмечай штриховкой условие случая (сверху) и решение неравенства (снизу). Ответ случая — там, где штриховки пересеклись.
Оформление под рубрику ДВИ
На ДВИ оценка идёт по outcomes-рубрике «±»: важен не только итоговый ответ, но и обоснованность каждого перехода. Ниже — эталон полного решения и список, за что снимают баллы.
Эталон полного решения: ∣2x−1∣⩾∣x+3∣
Полная запись, как ждёт проверяющий.
Обоснование метода. «Обе части неравенства — модули, значит, неотрицательны. Возведение в квадрат на множестве неотрицательных чисел сохраняет знак неравенства, поэтому переход равносилен:»
∣2x−1∣⩾∣x+3∣⟺(2x−1)2⩾(x+3)2.
Преобразование. «Перенесём в левую часть и применим разность квадратов:»
Метод интервалов с обоснованием. «Нули множителей x=4 и x=−32. Старший коэффициент произведения положителен, парабола ветвями вверх, поэтому выражение неотрицательно вне корней (концы включены — знак нестрогий):»
x∈(−∞;−32]∪[4;+∞).
Проверка концов (необязательно, но страхует): подстановка x=−32 и x=4 даёт равенство 37=37 и 7=7 — границы верны.
Ответ:x∈(−∞;−32]∪[4;+∞).
Стратегия на ДВИ
Проверь себя
Чему равносильно неравенство ∣x−3∣<2?
В неравенстве ∣f(x)∣⩾g(x) правая часть g(x)<0 на всей ОДЗ. Что можно сказать о решении?