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Algebra · real student question

把 a 看作实参数,解不等式 a·x² + 2x + 1 > 0,并给出所有情形的解集。

Question

解关于 xx 的不等式

ax2+2x+1>0ax^2 + 2x + 1 > 0

其中 aa 是实参数。请给出各种情形下的解集。

Step-by-step solution

  1. 先把判别式算出来备用。 当 a≠0a \ne 0 时,对 f(x)=ax2+2x+1f(x) = ax^2 + 2x + 1 有

    Δ=22−4a(1)=4−4a=4(1−a)\Delta = 2^2 - 4a(1) = 4 - 4a = 4(1-a)

    Δ\Delta 的符号与 aa 的符号共同决定一切,所以分类就沿着这两个量展开。

  2. 先处理退化情形 a = 0。 二次项没了,不等式变成一次的:

    2x+1>0⟹x>−122x + 1 > 0 \quad\Longrightarrow\quad x > -\frac{1}{2}

    忘掉 aa 可能为零,是含参问题里最经典的漏解——二次项系数并没有被保证非零。

  3. 情形 a > 1(开口向上、无实根)。 此时 Δ=4(1−a)<0\Delta = 4(1-a) < 0 且 a>0a > 0,抛物线开口向上且不与 xx 轴相交:

    ax2+2x+1>0  对一切 x∈R 成立ax^2 + 2x + 1 > 0 \ \text{ 对一切 } x \in \mathbb{R} \text{ 成立}

  4. 情形 a = 1(完全平方)。 此时 Δ=0\Delta = 0,且 x2+2x+1=(x+1)2x^2 + 2x + 1 = (x+1)^2,它除了唯一的零点外处处为正:

    x≠−1x \ne -1

  5. 情形 0 < a < 1(开口向上、有两个根)。 此时 Δ>0\Delta > 0,两根为

    x=−2±4−4a2a=−1±1−aax = \frac{-2 \pm \sqrt{4-4a}}{2a} = \frac{-1 \pm \sqrt{1-a}}{a}

    开口向上的抛物线在两根之外为正:

    x<−1−1−aa或x>−1+1−aax < \frac{-1-\sqrt{1-a}}{a} \quad \text{或} \quad x > \frac{-1+\sqrt{1-a}}{a}

  6. 情形 a < 0(开口向下)。 此时 1−a>11 - a > 1,所以 1−a>1\sqrt{1-a} > 1 且 Δ>0\Delta > 0:仍有两个实根。开口向下的抛物线在两根之间为正。又因为除以负的 aa 会把两根的大小顺序调过来,有 −1+1−aa<0<−1−1−aa\tfrac{-1+\sqrt{1-a}}{a} < 0 < \tfrac{-1-\sqrt{1-a}}{a},于是解集是

    −1+1−aa<x<−1−1−aa\frac{-1+\sqrt{1-a}}{a} < x < \frac{-1-\sqrt{1-a}}{a}

    取 a=−1a = -1 验证一下:两根是 −1±2−1\tfrac{-1 \pm \sqrt2}{-1},即 −0.414214-0.414214 与 2.4142142.414214;在中点 x=1x = 1 处原式为 −1+2+1=2>0-1 + 2 + 1 = 2 > 0,区间无误。

Answer

a>1: x∈R;a=1: x≠−1;0<a<1: x<−1−1−aa 或 x>−1+1−aa;a=0: x>−12;a<0: −1+1−aa<x<−1−1−aaa>1:\ x \in \mathbb{R};\quad a=1:\ x \neq -1;\quad 0<a<1:\ x<\tfrac{-1-\sqrt{1-a}}{a}\ \text{或}\ x>\tfrac{-1+\sqrt{1-a}}{a};\quad a=0:\ x>-\tfrac12;\quad a<0:\ \tfrac{-1+\sqrt{1-a}}{a}<x<\tfrac{-1-\sqrt{1-a}}{a}

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