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Algebra · real student question

x に 1/3 を底とする (1/2 − x) の対数を掛けた値が、x の絶対値以上となるような x をすべて求めよ。

Question

次の不等式を解け。

xlog⁡13 ⁣(12−x) ≥ ∣x∣x\log_{\frac13}\!\left(\frac12-x\right)\ \ge\ |x|

Step-by-step solution

  1. 不等式に手を付ける前に定義域を確定する。 対数の真数は正でなければならない:

    12−x>0⟺x<12\frac12-x>0\quad\Longleftrightarrow\quad x<\frac12

    以下の議論はすべて (−∞,12)\left(-\infty,\tfrac12\right) の中で行い、その外の候補は自動的に捨てる。

  2. ∣x∣|x| も不等号の向きも xx の符号に依存するので、xx の符号で場合分けする。 L=log⁡1/3 ⁣(12−x)L=\log_{1/3}\!\left(\tfrac12-x\right) とおく。不等式は xL≥∣x∣xL\ge|x| である。xx で割るのが自然な手だが、xx の符号は ∣x∣|x| が何になるかと同時に不等号が反転するかどうかも決めるので、x>0x>0、x=0x=0、x<0x<0 の 3 つの場合を別々に扱わなければならない。

  3. 場合 x>0x>0。 ここでは ∣x∣=x|x|=x であり、正の数 xx で割っても向きは変わらない:

    L≥1L\ge 1

    底 13\tfrac13 は 11 より小さいので log⁡1/3\log_{1/3} は減少関数である。よって log⁡1/3t≥1\log_{1/3}t\ge 1 は 0<t≤(13)1=130<t\le\left(\tfrac13\right)^{1}=\tfrac13 に反転する。したがって

    0<12−x≤13⟺16≤x<120<\frac12-x\le\frac13\quad\Longleftrightarrow\quad \frac16\le x<\frac12

    x>0x>0 と合わせると [16,12)\left[\tfrac16,\tfrac12\right) となる。

  4. 場合 x<0x<0。 いま ∣x∣=−x|x|=-x であり、xL≥−xxL\ge-x を負の数 xx で割ると不等号が反転する:

    L≤−1L\le -1

    ふたたび log⁡1/3\log_{1/3} が減少関数であることを使うと、log⁡1/3t≤−1\log_{1/3}t\le-1 は t≥(13)−1=3t\ge\left(\tfrac13\right)^{-1}=3 になる:

    12−x≥3⟺x≤−52\frac12-x\ge3\quad\Longleftrightarrow\quad x\le-\frac52

    このような xx はすべて負で定義域の中にあるので、半直線 (−∞,−52]\left(-\infty,-\tfrac52\right] 全体が解になる。

  5. 場合 x=0x=0 —— 飛ばしてはいけない。 そのまま代入すると 0⋅L=00\cdot L=0、∣0∣=0|0|=0 なので、不等式は 0≥00\ge0 となり成り立つ。孤立点 x=0x=0 はどちらの区間にも属さないが正真正銘の解であり、xx で不用意に割ると失われるのがまさにこの点である。

  6. まとめて端点を検算する。 解集合は

    x∈(−∞,−52]∪{0}∪[16,12)x\in\left(-\infty,-\frac52\right]\cup\{0\}\cup\left[\frac16,\frac12\right)

    2 つの境界の点を確かめる。x=−52x=-\tfrac52 では 12−x=3\tfrac12-x=3、log⁡1/33=−1\log_{1/3}3=-1 なので左辺は (−52)(−1)=52=∣x∣(-\tfrac52)(-1)=\tfrac52=|x| となり等号が成り立つ。x=16x=\tfrac16 では 12−x=13\tfrac12-x=\tfrac13、log⁡1/313=1\log_{1/3}\tfrac13=1 なので左辺は 16=∣x∣\tfrac16=|x| で、ここでも等号が成り立つ。除外された領域の値、たとえば x=−1x=-1 では (−1)log⁡1/332≈0.369(-1)\log_{1/3}\tfrac32\approx0.369 となり ∣x∣=1|x|=1 より小さいので、正しく除かれている。

Answer

x∈(−∞,−52]∪{0}∪[16,12)x\in\left(-\infty,-\frac{5}{2}\right]\cup\{0\}\cup\left[\frac{1}{6},\frac{1}{2}\right)

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