Задачи с параметрами (обычно это номера 6 или 7) — один из главных фильтров на ДВИ МГУ. В отличие от ЕГЭ, где часто достаточно алгоритмического графического решения, на мехмате и ВМК ценятся строгие логические переходы, теоремы о расположении корней и анализ инвариантности.
Здесь недостаточно написать ответ — каждое значение параметра должно быть обосновано, а все побочные случаи (например, обнуление старшего коэффициента) строго проверены.
Лист формул на ДВИ не выдают: всё, что используешь (расстояние от точки до прямой, условия расположения корней, ограниченность синуса), нужно либо помнить, либо уметь восстановить за пару строк. Поэтому ниже формулы расположения корней даются не как «магические рецепты», а связаны с поведением параболы — так их можно вывести заново прямо на экзамене.
1. Расположение корней квадратного трёхчлена
Самый частый алгебраический сюжет: дано уравнение, сводящееся к квадратному f(x)=ax2+bx+c=0, и требуется, чтобы его корни удовлетворяли определённым условиям (были больше числа M, лежали на отрезке и т.д.).
Решать такие задачи через формулы корней с радикалами — самоубийство (получишь сложные иррациональные неравенства). Используй свойства параболы: знак старшего коэффициента a, дискриминант D, координату вершины x0=−2ab и знак значения функции в точке f(M).
2. Логические задачи: инвариантность и единственность
Если в задаче требуется найти значения параметра, при которых система или уравнение имеет единственное решение (или нечётное число решений), всегда ищи симметрию.
Метод называется «Необходимость и достаточность».
Необходимость: Заметь, что если пара (x;y) является решением, то из-за симметрии уравнения (например, присутствуют только x2 или ∣x∣), пара (−x;y) тоже является решением. Чтобы решение было единственным, эти пары обязаны совпадать: x=−x⟹x=0. Подставь x=0 и найди кандидатов на параметр a.
Достаточность: Обязательно подставь найденные a в исходную систему и строго докажи, что при этих a других решений действительно нет.
3. Метод оценок (мажоранта — миноранта)
Очень мощный приём именно для ДВИ: если удаётся доказать, что левая часть уравнения не больше некоторого числа A, а правая — не меньше того же A, то равенство возможно лишь когда обе части равны A одновременно.
Где брать оценки без листа формул (см. справочник, раздел «Классические оценки»):
sint,cost∈[−1;1], а значит asint+bcost∈[−a2+b2;a2+b2];
полный квадрат ⩾0, модуль ⩾0;
t+t1⩾2 при t>0 (и ⩽−2 при t<0);
AM–GM: среднее арифметическое ⩾ среднего геометрического.
4. Графический метод
Если в уравнении есть модули, суммы квадратов, уравнения окружностей или ломаных линий — строй графики в координатах (x;y) или (x;a).
На ДВИ графический метод должен быть строго обоснован аналитически. Если ты видишь по графику, что прямая касается окружности, ты должен доказать это (например, приравнять уравнения и показать, что дискриминант равен нулю, или использовать формулу расстояния от точки до прямой).
5. Уравнения с параметром в новых классах
Расположение корней и графика покрывают планиметрический и алгебраический сюжеты. Но на ДВИ параметр сплошь и рядом «зашит» в показательную, логарифмическую или тригонометрическую функцию, и тогда ключом становится ОДЗ или ограниченность функции.
Разобранные примеры этих классов — ниже (примеры 4, 5, 6).
Примеры решения задач
Пример 1. Расположение корней квадратного трёхчлена
Условие. Найдите все значения параметра a, при которых уравнение
(a−1)x2−2ax+a+2=0
имеет ровно два различных корня, один из которых строго больше 2, а другой строго меньше 2.
Разбираем вырожденный случай
Сначала проверим случай a=1. Уравнение принимает вид −2x+3=0⟹x=1,5. Корень единственный, условие не выполняется. Значит, a=1, и перед нами квадратное уравнение.
Записываем условие расположения корней
Пусть f(x)=(a−1)x2−2ax+a+2. Нам нужно, чтобы корни лежали по разные стороны от числа M=2. Согласно теореме о расположении корней, это равносильно выполнению одного условия:
aстарший⋅f(2)<0
Вычислим f(2):
f(2)=(a−1)⋅4−2a⋅2+a+2=4a−4−4a+a+2=a−2
Решаем неравенство
Составляем неравенство:
(a−1)(a−2)<0
Решая методом интервалов, получаем a∈(1;2).
Заметим, что дискриминант проверять не нужно: условие (a−1)f(2)<0 гарантирует, что D>0 (а значит, корни автоматически различны — требование «два различных» выполнено).
Пример 2. Симметрия и единственность
Условие. При каких значениях параметра a система неравенств
{y⩾x2+ax⩾y2+a
имеет ровно одно решение?
Необходимость: используем симметрию
Система симметрична относительно замены x↔y. Это значит, что если пара (x0;y0) — решение, то и пара (y0;x0) — тоже решение. Чтобы решение было единственным, необходимо, чтобы x0=y0.
Подставим y=x в первое неравенство:
x⩾x2+a⟺x2−x+a⩽0
Чтобы это неравенство имело ровно одно решение, соответствующее квадратное уравнение должно иметь дискриминант, равный нулю:
D=(−1)2−4a=0⟹a=41
При a=1/4 получаем (x−21)2⩽0, откуда x=21. Единственным решением-кандидатом является точка (21;21).
Достаточность: доказываем единственность
Докажем, что при a=1/4 других решений нет. Подставим a в систему:
{y⩾x2+1/4x⩾y2+1/4
Сложим эти неравенства:
x+y⩾x2+y2+21
Сгруппируем полные квадраты:
(x2−x+41)+(y2−y+41)⩽0
(x−21)2+(y−21)2⩽0
Сумма неотрицательных чисел меньше либо равна нулю тогда и только тогда, когда оба они равны нулю. Следовательно, x=1/2 и y=1/2. Решение действительно единственное.
Пример 3. Графический метод с модулем
Условие. Найдите все a, при которых система
{x2+y2=a2y=∣x∣−2
имеет ровно два различных решения.
Строим графики
Построим графики в системе координат Oxy.
Второе уравнение y=∣x∣−2 задаёт «уголок», ветви которого направлены вверх, с вершиной в точке (0;−2).
Первое уравнение x2+y2=a2 задаёт семейство окружностей с центром в начале координат (0;0) и радиусом R=∣a∣⩾0.
Перебираем радиус
Количество решений — это количество точек пересечения окружности и уголка. Будем увеличивать радиус R:
При R<2 окружность слишком мала и не достаёт до уголка. (0 решений).
При R=2 окружность касается обеих ветвей уголка. Расстояние от центра (0;0) до прямой y=x−2⟺x−y−2=0 равно d=12+(−1)2∣0−0−2∣=22=2. Здесь ровно 2 решения (точки касания).
При 2<R<2 окружность пересекает каждую ветвь уголка дважды. (4 решения).
При R=2 окружность проходит через вершину уголка (0;−2) и пересекает ветви в точках (±2;0). (3 решения).
При R>2 окружность обхватывает вершину уголка и пересекает его ветви только по одному разу каждую. Итого 2 решения.
Возвращаемся к параметру
Нам подходят случаи 2 и 5: R=2 и R>2.
Вспоминая, что R=∣a∣, получаем ∣a∣=2⟹a=±2, а также ∣a∣>2⟹a∈(−∞;−2)∪(2;+∞).
Пример 4. Оба корня на отрезке
Условие. Найдите все значения параметра a, при которых оба корня уравнения
x2−2(a−1)x+a2−2a=0
принадлежат отрезку [0;4].
Составляем систему условий
Старший коэффициент равен 1=0 — уравнение квадратное при любом a, отдельный случай не нужен.
Обозначим f(x)=x2−2(a−1)x+a2−2a. Чтобы оба корня лежали на отрезке [0;4], по теореме о расположении корней (раздел 1) для aстарший=1>0 должны выполняться четыре условия:
⎩⎨⎧D⩾00⩽x0⩽4f(0)⩾0f(4)⩾0
Дискриминант
4D=(a−1)2−(a2−2a)=a2−2a+1−a2+2a=1>0.
Дискриминант положителен при любом a — корни всегда различны, условие D⩾0 выполнено всегда.
Проверка по существу. Поскольку 4D=1, корни равны x1,2=(a−1)±1, то есть x1=a−2, x2=a. Условие «0⩽a−2 и a⩽4» даёт ровно 2⩽a⩽4 — совпало с ответом по формуле. Это хорошая страховка от ошибки.
Пример 5. Логарифмическое уравнение с параметром: ОДЗ отсекает корень
Условие. При каких значениях параметра a уравнение
lgx+lg(x−3)=lga
имеет решение? Найдите это решение.
ОДЗ (выписываем сразу)
Аргументы всех логарифмов положительны:
⎩⎨⎧x>0x−3>0a>0⟺{x>3a>0
Уже здесь видно: необходимоa>0, иначе правая часть не определена.
Преобразование
По свойству суммы логарифмов (аргументы на ОДЗ положительны, модуль не нужен):
lg(x(x−3))=lga⟺x(x−3)=a⟺x2−3x−a=0.
Корни и фильтр ОДЗ
x=23±9+4a.
При a>0 оба корня действительны. Проверим условие x>3:
Меньший корень x−=23−9+4a<23<3 — всегда выпадает из ОДЗ (типичная ловушка: формально найден, но недопустим).
Больший корень x+=23+9+4a. Неравенство x+>3⟺9+4a>3⟺9+4a>9⟺a>0 — выполнено на всём ОДЗ.
Значит, при каждом a>0 остаётся ровно один допустимый корень x+.
Проверка
Пусть a=4: тогда x+=23+25=4, и lg4+lg1=lg4 — верно.
Пример 6. Тригонометрическое уравнение с параметром: число решений через ограниченность
Условие. При каких значениях параметра a уравнение
2cos2x−(2a+1)cosx+a=0
имеет хотя бы одно решение? Сколько серий решений оно даёт в зависимости от a?
Замена с учётом области
Пусть t=cosx, тогда по ограниченности косинуса t∈[−1;1]. Уравнение становится квадратным:
2t2−(2a+1)t+a=0.
Разложим на множители (подбором или через дискриминант):
2t2−(2a+1)t+a=(2t−1)(t−a)=0⟺t=21илиt=a.
Анализ корней по t
Корень t=21всегда допустим (21∈[−1;1]) и даёт cosx=21, то есть серию x=±3π+2πn,n∈Z. Поэтому решение есть при любомa.
Корень t=a допустим ⟺a∈[−1;1]. Тогда он добавляет серию cosx=a.
Подсчёт серий
Если a<−1 или a>1: годен только t=21 — одна серия решений.
Если a∈[−1;1] и a=21: годны оба значения t=21 и t=a (различные) — две серии.
Если a=21: корни t совпадают (t=21 двойной) — снова одна серия cosx=21.
Пример 7. Метод оценок: при каких a уравнение имеет решение
Условие. Найдите все значения параметра a, при которых уравнение
x2+2ax+2a2−2a+1=0
имеет решение, и найдите это решение.
Сворачиваем в сумму квадратов
Можно было бы посчитать дискриминант, но удобнее свернуть левую часть в сумму квадратов (метод оценок, раздел 3). Сгруппируем:
Это сумма двух неотрицательных слагаемых. Она равна нулю тогда и только тогда, когда оба слагаемых равны нулю:
{(x+a)2=0(a−1)2=0⟺{x=−aa=1
Следовательно, решение существует только при a=1, и тогда x=−1.
Проверка
При a=1: x2+2x+2−2+1=x2+2x+1=(x+1)2=0⇒x=−1 — верно.
Оформление под рубрику ДВИ
ДВИ оценивается по outcomes-рубрике с частичными баллами («±»): за полностью обоснованное решение — полный балл, за решение с верной идеей, но пропущенным разбором случая — «±» (половина), за «ответ угадан / показано на глаз» — мало или ноль. Лист формул не выдают, поэтому каждый нетривиальный шаг должен быть либо обоснован, либо опираться на известную формулу с её упоминанием.
Сравнение: полное решение vs «на ±»
Задача. Найдите все a, при которых уравнение ax2+4x+a=0 имеет ровно один корень.
Решение «на ±» (теряет балл). «D=16−4a2=0⇒a=±2.» — Ответ a=±2.
Здесь упущен случай a=0 (уравнение становится линейным 4x=0, x=0 — тоже ровно один корень!). Старший коэффициент при x2 — это a, и его обнуление обязательно разобрать.
Полное решение (полный балл).Случай 1: a=0. Уравнение 4x=0⇒x=0 — ровно один корень. Значит a=0подходит.
Случай 2: a=0. Уравнение квадратное; ровно один (двойной) корень ⟺D=0:
D=16−4a2=0⟺a2=4⟺a=±2.
Ответ:a∈{−2;0;2}.
Разница между «±» и полным баллом — одна строчка про a=0. Именно такие строчки и проверяют на ДВИ.
Корни: Формулы расположения корней квадратного трёхчлена избавляют от необходимости решать иррациональные неравенства. Полный набор условий собирается из трёх кирпичиков: знак a⋅f(M), положение вершины x0, дискриминант D.
Симметрия: Необходимость (находим a) ⟹ Достаточность (проверяем a).
Оценки: «сумма неотрицательных =0» ⟺ каждое слагаемое нуль; ограниченность sin,cos и полного квадрата — источник условий на a.
Новые классы: в логарифмах/корнях ОДЗ может отсекать формальный корень; в тригонометрии замена t=cosx обязана учитывать t∈[−1;1].
Стратегия на ДВИ
Проверь себя
Оба корня уравнения ax2+bx+c=0 (a=0) лежат по разные стороны от числа M тогда и только тогда, когда:
Система симметрична относительно замены x↔y и имеет единственное решение (x0;y0). Что обязательно верно?
Уравнение ax2+4x+a=0 имеет ровно один корень. Каков полный ответ?