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Algebra · real student question

求解不等式 (|x − 2| − x) / (x² − 4) ≤ 0,并把解集写成区间形式。

Question

求解不等式

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

并把解集写成区间形式。

Step-by-step solution

  1. 先排除使表达式无意义的点。 分式只有在分母不为零时才有定义。这里 x2−4=(x−2)(x+2)x^2-4=(x-2)(x+2),所以

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

    无论分子取什么值,这两个点都不可能属于解集——分母为零时,≤\le 号也救不回来。

  2. 在绝对值的分界点处分类讨论。 ∣x−2∣|x-2| 在 x=2x=2 处改变表达式:当 x≥2x\ge 2 时它等于 x−2x-2,当 x<2x<2 时等于 2−x2-x。因为整个不等式在分界点两侧的表现不同,我们分别在两段上求解,最后取并集。这里要用代数方法而不是随便代几个数去试,否则很容易漏掉测试点之间的情况。

  3. 情形一:x>2x>2。 此时 ∣x−2∣=x−2|x-2|=x-2,分子直接化成一个常数:

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

    当 x>2x>2 时分母 x2−4x^2-4 为正,所以这一段里的每个 xx 都让分式取负值。整条射线 (2,+∞)(2,+\infty) 都满足不等式(x=2x=2 本身已在第一步被排除)。

  4. 情形二:x<2x<2。 此时 ∣x−2∣=2−x|x-2|=2-x,分子是 2−2x=2(1−x)2-2x=2(1-x),于是

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

    分子在 x=1x=1 处为零,在 x<1x<1 时为正;因子 x−2x-2 在这一整段里都是负的;因子 x+2x+2 在 x=−2x=-2 处变号。

  5. 为情形二列符号表。 用临界值 −2-2 和 11 把数轴分段:

    区间2(1−x)2(1-x)x−2x-2x+2x+2分式
    x<−2x<-2++−-−-++
    −2<x<1-2<x<1++−-++−-
    1<x<21<x<2−-−-++++

    只有 −2<x<1-2<x<1 能让分式为负。在 x=1x=1 处分子为 00,而分母是 −3≠0-3\ne 0,所以分式的值等于 00——而 0≤00\le 0 成立,因此 x=1x=1 要包含进来。

  6. 把两种情形的结果取并集。 把情形二得到的 (−2,1](-2,1] 与情形一得到的 (2,+∞)(2,+\infty) 合起来:

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

    代几个数验证一下:x=0x=0 时值为 −0.5-0.5(成立),x=1.5x=1.5 时为 +0.571+0.571(不成立),x=3x=3 时为 −0.4-0.4(成立),x=−2.5x=-2.5 时为 +3.11+3.11(不成立)。

Answer

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

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