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Algebra · real student question

设 a > 0,解不等式 ax² − (2a − 1)x + 2 ≥ 2x。

Question

设 a>0a>0。解不等式

ax2−(2a−1)x+2≥2xax^{2}-(2a-1)x+2\ge 2x

Step-by-step solution

  1. 先把所有项移到左边。 减去 2x2x 后,两个一次项合并:

    ax2−[(2a−1)+2]x+2≥0 ⟹ ax2−(2a+1)x+2≥0ax^{2}-\left[(2a-1)+2\right]x+2\ge 0\ \Longrightarrow\ ax^{2}-(2a+1)x+2\ge 0

  2. 把二次式分解。 试着写成 (x−2)(ax−1)(x-2)(ax-1),展开验证:

    (x−2)(ax−1)=ax2−x−2ax+2=ax2−(2a+1)x+2 ✓(x-2)(ax-1)=ax^{2}-x-2ax+2=ax^{2}-(2a+1)x+2\ \checkmark

    于是不等式化为 (x−2)(ax−1)≥0(x-2)(ax-1)\ge 0。

  3. 把二次项系数化成 1。 因为 a>0a>0,除以 aa 不改变不等号方向,而 ax−1=a(x−1a)ax-1=a\left(x-\tfrac1a\right):

    (x−2)(x−1a)≥0(x-2)\left(x-\frac{1}{a}\right)\ge 0

    两根是 22 和 1a\tfrac1a;抛物线开口向上,所以解集在两根之外——但哪个根在左边,要看 aa 的取值。

  4. 情形一:0<a<120<a<\tfrac12(此时 1a>2\tfrac1a>2)。 两根从小到大是 2<1a2<\tfrac1a,所以

    (−∞,2]∪[1a,+∞)\left(-\infty,2\right]\cup\left[\frac{1}{a},+\infty\right)

    取 a=14a=\tfrac14 检验(两根为 22 和 44):x=0x=0 时原式为 2≥02\ge 0 ✓,x=3x=3 时为 −14<0-\tfrac14<0 ✗,x=5x=5 时为 34≥0\tfrac34\ge 0 ✓。

  5. 情形二:a=12a=\tfrac12(此时 1a=2\tfrac1a=2)。 两根重合,不等式变成 12(x−2)2≥0\tfrac12(x-2)^{2}\ge 0,对任何实数都成立:

    x∈Rx\in\mathbb{R}

  6. 情形三:a>12a>\tfrac12(此时 1a<2\tfrac1a<2)。 现在 1a\tfrac1a 成了较小的那个根:

    (−∞,1a]∪[2,+∞)\left(-\infty,\frac{1}{a}\right]\cup\left[2,+\infty\right)

  7. 把三种情形汇总。 整个答案只取决于 1a\tfrac1a 与 22 这一次大小比较,也就是 a<12a<\tfrac12、a=12a=\tfrac12 还是 a>12a>\tfrac12——凡是根依赖于参数的含参二次不等式,都是这个标准套路。

Answer

{(−∞,2]∪[1a,+∞),0<a<12R,a=12(−∞,1a]∪[2,+∞),a>12\begin{cases}(-\infty,2]\cup\left[\dfrac{1}{a},+\infty\right), & 0<a<\dfrac12\\[6pt] \mathbb{R}, & a=\dfrac12\\[6pt] \left(-\infty,\dfrac{1}{a}\right]\cup[2,+\infty), & a>\dfrac12\end{cases}

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