Algebra · real student question

解连不等式 (x + 1)(x + 2) ≥ (x + 3)(x + 4) ≥ (x + 5)(x + 6),并把解集写成区间形式。

Question

解连不等式

(x+1)(x+2)  (x+3)(x+4)  (x+5)(x+6)(x+1)(x+2)\ \ge\ (x+3)(x+4)\ \ge\ (x+5)(x+6)

并把解集写成区间形式。

Step-by-step solution

  1. 把连不等式拆成两个独立的不等式。 形如 ABCA\ge B\ge C 的写法,是两个必须同时成立的条件的简写:

    (I)(x+1)(x+2)(x+3)(x+4),(II)(x+3)(x+4)(x+5)(x+6)\text{(I)}\quad (x+1)(x+2)\ge(x+3)(x+4),\qquad \text{(II)}\quad (x+3)(x+4)\ge(x+5)(x+6)

    最终答案是这两个解集的交集,而不是并集。很多人会想直接比较两头的 (x+1)(x+2)(x+1)(x+2)(x+5)(x+6)(x+5)(x+6),但那是一个更弱的条件,会得出一个(偏大的)错误解集。

  2. 把 (I) 两边展开,看二次项如何抵消。 乘开后得到

    x2+3x+2  x2+7x+12x^2+3x+2\ \ge\ x^2+7x+12

    两边的首项都恰好是 x2x^2,所以两边同时减去 x2x^2 是合法的,剩下一个一次不等式:

    3x+2  7x+123x+2\ \ge\ 7x+12

    这个抵消正是本题的关键:因为这些依次平移的乘积首项系数都是 11,所以既不需要符号表,也不用分析抛物线。

  3. 解一次不等式 (I)。 把含 xx 的项移到一边:

    3x+27x+12  104x  x104=523x+2\ge 7x+12\ \Longrightarrow\ -10\ge 4x\ \Longrightarrow\ x\le-\frac{10}{4}=-\frac{5}{2}

    两边同除以正数 44 不改变不等号方向;只有乘或除以负数时方向才要反过来。把 52x-\tfrac52\ge x 从右往左读,就是 x52x\le-\tfrac52

  4. 对 (II) 做同样的处理。 展开后,

    x2+7x+12  x2+11x+30  7x+12  11x+30x^2+7x+12\ \ge\ x^2+11x+30\ \Longrightarrow\ 7x+12\ \ge\ 11x+30

    18  4x  x184=92-18\ \ge\ 4x\ \Longrightarrow\ x\le-\frac{18}{4}=-\frac{9}{2}

  5. 把两个条件取交集。 我们需要 x52x\le-\tfrac52 x92x\le-\tfrac92 同时成立。由于 92=4.5-\tfrac92=-4.5 位于 52=2.5-\tfrac52=-2.5 的左边,第二个条件更严格,它自动蕴含第一个:

    x92x(,92]x\le-\frac{9}{2}\quad\Longleftrightarrow\quad x\in\left(-\infty,\,-\frac{9}{2}\right]

  6. 取一个解集内的值和一个解集外的值验证。x=5x=-5 时:(4)(3)=12(-4)(-3)=12(2)(1)=2(-2)(-1)=2(0)(1)=0(0)(1)=0,而 122012\ge2\ge0 成立。✓ 当 x=4x=-4 时(它满足 (I) 但不满足 (II)):(3)(2)=6(-3)(-2)=6(1)(0)=0(-1)(0)=0(1)(2)=2(1)(2)=2,而 020\ge2 不成立。✗ 这说明取交集而不是并集才是对的,也说明端点 x=92x=-\tfrac92 要包含在内,因为两个不等式都允许取等号。

Answer

x92,即 x(,92]x\le-\frac{9}{2},\qquad \text{即 } x\in\left(-\infty,\,-\tfrac{9}{2}\right]

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