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Algebra · real student question

解不等式 (h + 0.9)/√(1 + h²) < h。

Question

解关于 hh 的不等式:

h+0.91+h2<h\frac{h+0.9}{\sqrt{1+h^2}} < h

Step-by-step solution

  1. 放心地去分母。 对任何实数 hh 都有 1+h2≥1>0\sqrt{1+h^2} \ge 1 > 0,所以两边同乘它不会改变不等号方向:

    h+0.9<h1+h2h + 0.9 < h\sqrt{1+h^2}

    再两边减去 hh,把 0.90.9 单独留下:

    0.9<h(1+h2−1)0.9 < h\left(\sqrt{1+h^2} - 1\right)

  2. 先把 h ≤ 0 直接排除掉。 括号里恒有 1+h2−1≥0\sqrt{1+h^2} - 1 \ge 0,所以若 h≤0h \le 0,右边就 ≤0\le 0,而左边是 0.9>00.9 > 0。任何非正的 hh 都不可能满足,讨论范围缩小到 h>0h > 0。

  3. 在两边都为正的前提下平方。 当 h>0h > 0 时,两边同除以 hh 再加 11:

    1+0.9h<1+h21 + \frac{0.9}{h} < \sqrt{1+h^2}

    此时两边都为正,所以平方是等价变形,而不是单向推出:

    1+1.8h+0.81h2<1+h21 + \frac{1.8}{h} + \frac{0.81}{h^2} < 1 + h^2

  4. 把 h 的负次幂清掉,得到一个四次不等式。 两边减 11,再同乘 h2>0h^2 > 0:

    1.8h+0.81<h4⟹g(h)=h4−1.8h−0.81>01.8h + 0.81 < h^4 \quad \Longrightarrow \quad g(h) = h^4 - 1.8h - 0.81 > 0

  5. 求这个四次函数唯一的正根。 在 h>0h > 0 上,g′(h)=4h3−1.8g'(h) = 4h^3 - 1.8 只在 h=0.453≈0.7663h = \sqrt[3]{0.45} \approx 0.7663 处为零,所以 gg 先降后升;又 g(0)=−0.81<0g(0) = -0.81 < 0,故正根恰有一个。从 h0=1.34h_0 = 1.34 出发用牛顿法迭代,得

    h∗=1.3397213599(g(h∗)≈10−39 (40 位精度下))h_* = 1.3397213599 \quad (g(h_*) \approx 10^{-39} \ \text{(40 位精度下)})

    网上常见的 1.350821.35082 是错的:在那里 g=+0.0881g = +0.0881,离零差得远。

  6. 写出解集并检验。 当 h>h∗h > h_* 时 g>0g > 0,所以

    h>1.3397213599…h > 1.3397213599\ldots

    直接代回原不等式可以确认这个分界:h=1.339h = 1.339 时左边减右边是 +0.00075+0.00075(不成立),h=1.3398h = 1.3398 时是 −0.000082-0.000082(成立),h=1.35h = 1.35 时是 −0.0107-0.0107(成立)。取近似值,答案就是 h>1.3397h > 1.3397。

Answer

h>1.3397213599…, 即 h4−1.8h−0.81=0 唯一的正根h > 1.3397213599\ldots, \ \text{即 } h^4 - 1.8h - 0.81 = 0 \text{ 唯一的正根}

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