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Algebra · real student question

不等式 (|x − 2| − x) / (x² − 4) ≤ 0 を解き、解を区間で表せ。

Question

不等式

∣x−2∣−xx2−4≤0\frac{|x-2|-x}{x^2-4}\le 0

を解き、解集合を区間で表せ。

Step-by-step solution

  1. 式が定義されない点を先に除外する。 分数は分母が 0 でないときにだけ定義される。ここでは x2−4=(x−2)(x+2)x^2-4=(x-2)(x+2) なので

    x≠2かつx≠−2.x\ne 2\quad\text{かつ}\quad x\ne -2.

    この 2 点は分子がどうであれ解集合に入ることはない。≤\le という不等号があっても、分母が 0 になるのを救うことはできない。

  2. 絶対値を境目で場合分けする。 ∣x−2∣|x-2| は x=2x=2 で式が変わる。x≥2x\ge 2 のときは x−2x-2、x<2x<2 のときは 2−x2-x に等しい。不等式全体の振る舞いが両側で異なるので、それぞれの側で別々に解いてから合併をとる。試しの数値を代入するのではなく代数的に処理し、テスト点の間で解を取りこぼさないようにする。

  3. 場合 1:x>2x>2 のとき。 ここでは ∣x−2∣=x−2|x-2|=x-2 なので、分子は定数にまで縮む:

    (x−2)−xx2−4=−2x2−4.\frac{(x-2)-x}{x^2-4}=\frac{-2}{x^2-4}.

    x>2x>2 では分母 x2−4x^2-4 が正なので、この分数はそのような xx すべてで負になる。よって半直線 (2,+∞)(2,+\infty) 全体が不等式を満たす(x=2x=2 自身はステップ 1 で除外済み)。

  4. 場合 2:x<2x<2 のとき。 ここでは ∣x−2∣=2−x|x-2|=2-x なので分子は 2−2x=2(1−x)2-2x=2(1-x) となり

    2(1−x)(x−2)(x+2)≤0.\frac{2(1-x)}{(x-2)(x+2)}\le 0.

    分子は x=1x=1 で 0、x<1x<1 で正。因子 x−2x-2 はこの場合の全体で負。因子 x+2x+2 は x=−2x=-2 で符号が変わる。

  5. 場合 2 の符号表を作る。 臨界値 −2-2 と 11 で数直線を分ける:

    区間2(1−x)2(1-x)x−2x-2x+2x+2分数
    x<−2x<-2++−-−-++
    −2<x<1-2<x<1++−-++−-
    1<x<21<x<2−-−-++++

    分数が負になるのは −2<x<1-2<x<1 だけである。x=1x=1 では分子が 00、分母は −3≠0-3\ne 0 なので分数の値は 00 となり、0≤00\le 0 は成り立つ。よって x=1x=1 は解に含まれる。

  6. 2 つの場合を合併する。 場合 2 の (−2,1](-2,1] と場合 1 の (2,+∞)(2,+\infty) を合わせると:

    (−2, 1] ∪ (2, +∞).(-2,\,1]\ \cup\ (2,\,+\infty).

    数値で確かめると裏づけが取れる:x=0x=0 では値が −0.5-0.5(成立)、x=1.5x=1.5 では +0.571+0.571(不成立)、x=3x=3 では −0.4-0.4(成立)、x=−2.5x=-2.5 では +3.11+3.11(不成立)。

Answer

x∈(−2, 1]∪(2, +∞)x\in(-2,\,1]\cup(2,\,+\infty)

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