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Algebra · real student question

解不等式 x · log 以 1/3 为底 (1/2 − x) ≥ |x|。

Question

解不等式

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

Step-by-step solution

  1. 动手之前先把定义域定下来。 对数要求真数严格为正:

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

    下面所有讨论都在 (−∞,12)\left(-\infty,\tfrac12\right) 里进行,落在它外面的候选解自动作废。

  2. 按 xx 的符号分类,因为 ∣x∣|x| 和不等号方向都取决于它。 记 L=log⁡1/3 ⁣(12−x)L=\log_{1/3}\!\left(\tfrac12-x\right),原不等式就是 xL≥∣x∣xL\ge|x|。两边除以 xx 是最自然的一步,但 xx 的符号既决定 ∣x∣|x| 化成什么,又决定不等号要不要反向,所以 x>0x>0、x=0x=0、x<0x<0 这三种情况必须分开处理。

  3. 情形 x>0x>0。 此时 ∣x∣=x|x|=x,两边除以正数 xx 不改变方向:

    L≥1L\ge 1

    底数 13\tfrac13 小于 11,所以 log⁡1/3\log_{1/3} 是减函数:log⁡1/3t≥1\log_{1/3}t\ge 1 要反向变成 0<t≤(13)1=130<t\le\left(\tfrac13\right)^{1}=\tfrac13。于是

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

    再与 x>0x>0 取交集,得到 [16,12)\left[\tfrac16,\tfrac12\right)。

  4. 情形 x<0x<0。 此时 ∣x∣=−x|x|=-x,把 xL≥−xxL\ge-x 两边除以负数 xx,不等号要反向:

    L≤−1L\le -1

    仍然利用 log⁡1/3\log_{1/3} 递减,log⁡1/3t≤−1\log_{1/3}t\le-1 变成 t≥(13)−1=3t\ge\left(\tfrac13\right)^{-1}=3:

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

    这样的 xx 全都是负数,而且都落在定义域内,所以整条射线 (−∞,−52]\left(-\infty,-\tfrac52\right] 都是解。

  5. 情形 x=0x=0——千万别跳过。 直接代入得 0⋅L=00\cdot L=0,而 ∣0∣=0|0|=0,不等式成了 0≥00\ge0,成立。孤立点 x=0x=0 是货真价实的解,尽管它不属于前面任何一个区间;而它恰恰就是随手除以 xx 时最容易被丢掉的那个解。

  6. 汇总,再抽查验证。 解集为

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

    检验两个端点:在 x=−52x=-\tfrac52 处,12−x=3\tfrac12-x=3,log⁡1/33=−1\log_{1/3}3=-1,左边等于 (−52)(−1)=52=∣x∣(-\tfrac52)(-1)=\tfrac52=|x|——取等号;在 x=16x=\tfrac16 处,12−x=13\tfrac12-x=\tfrac13,log⁡1/313=1\log_{1/3}\tfrac13=1,左边等于 16=∣x∣\tfrac16=|x|——同样取等号。再在被排除的区域里取一个数试试,比如 x=−1x=-1,左边是 (−1)log⁡1/332≈0.369(-1)\log_{1/3}\tfrac32\approx0.369,小于 ∣x∣=1|x|=1,确实应当排除。

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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