Algebra · real student question

解不等式:x 乘以以 1/3 為底 (1/2 - x) 的對數,大於或等於 x 的絕對值。

Question

解不等式

xlog13 ⁣(12x)  xx\log_{\frac13}\!\left(\frac12-x\right)\ \ge\ |x|

Step-by-step solution

  1. 動手解之前先確定定義域。 對數的真數必須嚴格為正:

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

    以下所有討論都限定在 (,12)\left(-\infty,\tfrac12\right) 之內;任何落在外面的候選解自動捨去。

  2. xx 的正負分情況,因為 x|x| 與不等號方向都取決於它。L=log1/3 ⁣(12x)L=\log_{1/3}\!\left(\tfrac12-x\right),不等式即 xLxxL\ge|x|。除以 xx 是很自然的一步,但 xx 的正負同時決定了 x|x| 展開成什麼以及不等號要不要反轉,所以 x>0x>0x=0x=0x<0x<0 三種情況必須分開處理。

  3. 情況 x>0x>0 此時 x=x|x|=x,除以正數 xx 不改變方向:

    L1L\ge 1

    底數 13\tfrac13 小於 11,所以 log1/3\log_{1/3}遞減的:log1/3t1\log_{1/3}t\ge 1 反轉成 0<t(13)1=130<t\le\left(\tfrac13\right)^{1}=\tfrac13。因此

    0<12x1316x<120<\frac12-x\le\frac13\quad\Longleftrightarrow\quad \frac16\le x<\frac12

    再與 x>0x>0 取交集,得 [16,12)\left[\tfrac16,\tfrac12\right)

  4. 情況 x<0x<0 此時 x=x|x|=-x,把 xLxxL\ge-x 除以負數 xx 會使不等號反轉:

    L1L\le -1

    同樣利用 log1/3\log_{1/3} 遞減,log1/3t1\log_{1/3}t\le-1 變成 t(13)1=3t\ge\left(\tfrac13\right)^{-1}=3

    12x3x52\frac12-x\ge3\quad\Longleftrightarrow\quad x\le-\frac52

    這些 xx 都是負的、也都在定義域內,所以整條射線 (,52]\left(-\infty,-\tfrac52\right] 都是解。

  5. 情況 x=0x=0——千萬別漏掉。 直接代入得 0L=00\cdot L=00=0|0|=0,不等式成為 000\ge0,成立。孤立點 x=0x=0 是貨真價實的解,儘管它不落在前面任何一個區間裡;而它正是隨手把兩邊除以 xx 就會弄丟的那一個解。

  6. 整合並抽查。 解集合為

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

    檢查兩個邊界點:x=52x=-\tfrac5212x=3\tfrac12-x=3log1/33=1\log_{1/3}3=-1,左邊為 (52)(1)=52=x(-\tfrac52)(-1)=\tfrac52=|x|——等號成立。x=16x=\tfrac1612x=13\tfrac12-x=\tfrac13log1/313=1\log_{1/3}\tfrac13=1,左邊為 16=x\tfrac16=|x|——等號同樣成立。再取一個被排除區域裡的值,例如 x=1x=-1,得 (1)log1/3320.369(-1)\log_{1/3}\tfrac32\approx0.369,小於 x=1|x|=1,確實應該排除。

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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