На ДВИ по математике часто встречаются задачи, которые невозможно решить стандартными алгебраическими преобразованиями. Если в одном уравнении смешаны многочлены, тригонометрия, логарифмы и корни — это маркер того, что задача решается через оценки (метод мажорант) или использование свойств функций (монотонность, ограниченность).
Также в первой задаче варианта ДВИ регулярно требуется вычислить или сравнить громоздкие иррациональные и логарифмические выражения без калькулятора. Здесь проверяется умение аккуратно возводить в квадрат, выделять полные квадраты, домножать на сопряжённое и оценивать числа соседними целыми. Отдельный жанр — доказательство неравенств («докажите, что …»), где главный инструмент тоже оценки.
Основные формулы и оценки
Для успешного применения метода мажорант нужно знать экстремальные значения и границы стандартных функций.
Особое место занимают неравенства, связывающие средние величины. На ДВИ их можно применять без доказательства, но полезно помнить и короткий вывод — листа формул на экзамене не дают, а эксперт вправе потребовать обоснование.
Метод мажорант
Если дано уравнение f(x)=g(x), и при этом на всей области допустимых значений (ОДЗ) функция f(x) ограничена сверху числом M (f(x)⩽M), а функция g(x) ограничена снизу тем же числом M (g(x)⩾M), то равенство возможно только в случае, когда обе функции одновременно равны M.
Частный случай: «сумма неотрицательных =0»
Близкий родственник полного квадрата и отдельный рабочий приём оценки. Если сумма нескольких неотрицательных слагаемых равна нулю, то каждое слагаемое равно нулю:
A2+B2=0⟺{A=0,B=0;∣A∣+(x−c)2+D=0⟺A=0,x=c,D=0.
Это позволяет «расщепить» одно сложное уравнение на простую систему. Перед применением нужно показать, что все слагаемые неотрицательны (квадраты, модули, корни, 1−cost⩾0 и т. п.).
Использование монотонности
Если в уравнении f(x)=c функция f(x) строго возрастает (или строго убывает) на своей области определения, то она принимает значение cне более одного раза. Корень в таких задачах можно просто угадать (подобрать), а затем сослаться на монотонность как на доказательство его единственности.
Аналогично, если f(x) строго возрастает, а g(x) строго убывает (или постоянна), то уравнение f(x)=g(x) имеет не более одного корня. Сумма возрастающих функций возрастает; если каждое слагаемое слева возрастает — вся левая часть строго монотонна.
Примеры решений
Пример 1. Оценка иррационально-логарифмического выражения
Найди наибольшее целое число, не превосходящее A=log2(17+122).
Сворачиваем полный квадрат под логарифмом
Заметим, что под логарифмом находится полный квадрат. Подберём коэффициенты:
17+122=9+122+8=32+2⋅3⋅22+(22)2=(3+22)2.
Тогда исходное число преобразуется:
A=log2((3+22)2)=2log2(3+22).
Оцениваем соседними степенями двойки
Оценим 3+22 соседними степенями двойки строго, без десятичных приближений. Так как 2<22<2⋅2=4 (потому что 1<2<2), то
4<3+22<7<8.
Значит log24<log2(3+22)<log28, то есть 2<log2(3+22)<3, откуда 4<A<6. Целая часть A — это 4 или 5; нужно понять, по какую сторону от 5 лежит A. Так как A=2log2(3+22), вопрос «A≷5» равносилен «log2(3+22)≷25».
Сравниваем с пятёркой
Сравним log2(3+22) и 25. Логарифм по основанию 2 возрастает, поэтому
log2(3+22)∨25⟺3+22∨25/2⟺3+22∨42.
Вычтем 22 из обеих частей:
3∨22.
Обе части положительны, поэтому возведение в квадрат сохраняет знак: 32=9, (22)2=8, и 9>8. Значит 3>22, по цепочке вверх log2(3+22)>25, откуда A>5.
Проверяем верхнюю границу и записываем ответ
Осталось проверить, что A<6. Сравним исходное число с 6:
A<6⟺log2(17+122)<6⟺17+122<64⟺122<47.
Обе части положительны, возводим в квадрат: (122)2=288, а 472=2209. Неравенство 288<2209 верно. Значит A<6.
Число A строго больше 5 и строго меньше 6. Наибольшее целое число, не превосходящее A, равно 5.
Пример 2. Метод мажорант с тригонометрией
Реши уравнение log2(x2−4x+6)=1−sin(2πx).
Оцениваем левую часть
Выделим полный квадрат в аргументе логарифма:
x2−4x+6=(x−2)2+2.
Так как (x−2)2⩾0 при любых x, то (x−2)2+2⩾2. (Заодно аргумент логарифма всегда положителен, так что ОДЗ — вся прямая.)
Функция y=log2t монотонно возрастает, поэтому
log2(x2−4x+6)⩾log22=1.
Левая часть всегда не меньше 1, причём f(x)=1 достигается лишь при (x−2)2=0.
Оцениваем правую часть
Модуль синуса всегда неотрицателен: sin(2πx)⩾0. Умножим на −1 и прибавим 1:
1−sin(2πx)⩽1.
Правая часть всегда не больше 1. Граница M=1 — точная для обеих частей, поэтому метод применим.
Переходим к равносильной системе
Равенство f(x)=g(x) возможно лишь в случае, когда обе части равны 1. Получаем равносильную систему:
{log2(x2−4x+6)=1,1−sin(2πx)=1.
Решаем систему и проверяем корень
Из первого уравнения:
x2−4x+6=2⟺x2−4x+4=0⟺(x−2)2=0⟹x=2.
Проверим найденный корень во втором уравнении:
1−sin(22π)=1−∣sinπ∣=1−0=1.
Уравнение обращается в верное равенство. Корень подтверждён.
Пример 3. Оценка через неравенство Коши (система с тригонометрией)
Реши систему уравнений:
{tg2x+ctg2x=2cosy,x+y=4π.
Находим ОДЗ
ОДЗ системы: sinx=0 и cosx=0, то есть x=2πn,n∈Z.
Оцениваем левую часть первого уравнения
Рассмотрим первое уравнение. Так как tg2x>0 и ctg2x>0 на ОДЗ, а также tg2x⋅ctg2x=1, применим неравенство о сумме взаимно обратных положительных чисел (или AM–GM для t=tg2x и t1):
tg2x+ctg2x=tg2x+tg2x1⩾2.
Левая часть первого уравнения не меньше 2, причём равенство — при tg2x=1.
Оцениваем правую часть и переходим к системе
Правая часть ограничена сверху значением косинуса:
2cosy⩽2.
Следовательно, первое уравнение равносильно системе:
{tg2x+ctg2x=2,2cosy=2⟺{tg2x=1,cosy=1.
Находим y и x
Из уравнения cosy=1 находим y=2πk,k∈Z.
Подставим во второе уравнение исходной системы x+y=4π:
x+2πk=4π⟹x=4π−2πk.
Проверяем корень и ОДЗ
Проверим, удовлетворяет ли найденный x уравнению tg2x=1:
tg2(4π−2πk)=tg2(4π)=12=1.
Условие выполняется. Найденный x=4π−2πk не кратен 2π, поэтому входит в ОДЗ.
Пример 4. Единственность корня через монотонность
Реши уравнение x+3+3x+7=4.
Находим ОДЗ
ОДЗ: x+3⩾0, то есть x⩾−3 (кубический корень определён всюду).
Доказываем строгую монотонность
Рассмотрим функцию f(x)=x+3+3x+7 на луче x⩾−3. Оба слагаемых строго возрастают на ОДЗ: при увеличении x растут и x+3, и x+7, а корень (квадратный и кубический) — возрастающая функция своего аргумента. Сумма строго возрастающих функций строго возрастает, поэтому f(x) принимает каждое значение не более одного раза.
Подбираем корень
Ищем x, при котором оба корня извлекаются «нацело». При x=1:
f(1)=1+3+31+7=4+38=2+2=4.
Значение совпало с правой частью, значит x=1 — корень уравнения.
Обосновываем единственность
Так как f строго возрастает, других корней нет: уравнение f(x)=4 имеет не более одного решения, а одно мы уже нашли. Проверяем ОДЗ: x=1⩾−3 — входит.
Вывод (эталон рассуждения о единственности): «f(x)=x+3+3x+7 строго возрастает на [−3;+∞) как сумма строго возрастающих функций ⇒ уравнение f(x)=4 имеет не более одного корня; x=1 — корень, следовательно единственный.»
Пример 5. Сравнение чисел домножением на сопряжённое
Сравни без калькулятора числа a=2024−2023 и b=2023−2022 (что больше?).
Домножаем на сопряжённое
Оба числа положительны (большее под корнем — больше корень). Сравнивать разности корней «в лоб» неудобно, поэтому избавимся от вычитания корней домножением на сопряжённое (см. справочник, разд. 1 «Рационализация»):
Теперь сравнение дробей с положительными числителями свелось к сравнению знаменателей: больше та дробь, у которой знаменатель меньше. Сравним знаменатели:
2024+2023∨2023+2022.
Вычтем общее слагаемое 2023 из обеих частей:
2024∨2022.
Очевидно 2024>2022, значит знаменатель числа aбольше, а потому сама дробь aменьше:
a<b,тоесть2024−2023<2023−2022.
(Содержательно: разности соседних корней убывают с ростом n — корень растёт всё медленнее.)
Пример 6. Раскрытие двойного радикала a±b
Упрости выражение 7+43−7−43.
Сворачиваем двойные радикалы в полные квадраты
Свернём каждый двойной радикал в полный квадрат (см. справочник, разд. 1: ищем A±C=x±y, где x+y=A, 4xy=C).
Для 7+43 запишем 43=2⋅23 и подберём представление 7+43=(x+y)2=x+y+2xy. Нужно x+y=7 и 2xy=43, то есть xy=12. Числа с суммой 7 и произведением 12 — это 3 и 4. Значит
7+43=4+2⋅23+3=(2+3)2,7−43=(2−3)2.
Извлекаем корни с учётом модуля
Извлекаем корни с учётом модуля (t2=∣t∣):
7+43=2+3=2+3(т.к. 2+3>0),
7−43=2−3=2−3(т.к. 2>3,ведь4>3).
Вычисляем разность
Тогда
7+43−7−43=(2+3)−(2−3)=23.
Пример 7. Доказательство неравенства (AM–GM для трёх чисел)
Докажи, что для любых положительных a,b,c выполняется
ba+cb+ac⩾3.
Проверяем условия применимости AM–GM
Три слагаемых ba,cb,ac положительны при a,b,c>0. Их произведение замечательно упрощается:
ba⋅cb⋅ac=1.
Применяем неравенство Коши для трёх чисел
Применим обобщённое неравенство Коши (AM–GM) для трёх неотрицательных чисел a1=ba, a2=cb, a3=ac:
3a1+a2+a3⩾3a1a2a3=31=1.
Умножив на 3, получаем
ba+cb+ac⩾3,чтоитребовалосьдоказать.
Указываем случай равенства
Равенство достигается тогда и только тогда, когда все три слагаемых равны: ba=cb=ac, то есть при a=b=c.
Частые ошибки
Что запомнить
Выделение полного квадрата — универсальный способ оценки многочлена второй степени.
Сумма неотрицательных слагаемых равна нулю ⟺ каждое слагаемое равно нулю (родственник полного квадрата).
Выражения вида A+A1 кричат о применении оценки ⩾2 при A>0 (или ⩽−2 при A<0).
Для оценки суммы из трёх и более слагаемых держи в уме обобщённое AM–GM: a+b+c⩾33abc, особенно если произведение слагаемых упрощается до константы.
При сравнении чисел с радикалами часто помогает домножение на сопряжённое (превращает разность корней в дробь) или последовательное возведение в квадрат с уединением оставшегося корня.
Двойной радикал a±b сворачивай в полный квадрат (x±y)2, не забывая модуль при извлечении.
Если в уравнении есть и многочлен, и тригонометрия (логарифм, корень) — не пытайся выразить x. Сразу ищи границы левой и правой частей или используй монотонность.
Оформление под рубрику ДВИ
ДВИ оценивается по outcomes-рубрике «±»: важна не только верность ответа, но и полнота обоснований. Ниже — что обязательно должно присутствовать в чистовике, чтобы получить полный балл.
Проверь себя
При каких a и b в неравенстве Коши 2a+b⩾ab достигается равенство?
Уравнение f(x)=g(x) решают методом мажорант: f(x)⩽M и g(x)⩾M. К какой системе оно равносильно?