Неравенства
🚕 Две таксиметрови фирми: първата взима 2 € за качване и 1,20 € на километър, втората – 4 € за качване и 0,90 € на километър. Коя е по-изгодна? Отговорът „зависи“ е верен, но не е достатъчен. Математиката казва точно от кое разстояние нататък се променя той – с едно неравенство. В живота рядко търсим „точно равно“; много по-често питаме „колко най-много“, „поне колко“ и „кога е по-евтино“.
1. Неравенства и интервали
🤔 Загадка: На табела пише „Деца под 12 години – безплатно“. Има ли право на безплатен билет дете, което днес навършва 12? А дете на 11 години и 364 дни? Разликата между и е точно една точка – но понякога точно тя е важна.
Неравенство и решение
| Неравенство | Интервал | На оста |
|---|---|---|
| двата края – празни точки | ||
| двата края – плътни точки | ||
| плътна при 2, празна при 5 | ||
| лъч надясно | ||
| лъч наляво |
Кръглата скоба означава, че краят не принадлежи на интервала, квадратната – че принадлежи. При ∞ скобата винаги е кръгла: безкрайността не е число.
2. Свойства на неравенствата
С неравенствата работим почти като с уравненията – с една важна разлика. Например , но след умножение по −1 получаваме −2 и −5, а : числата си размениха местата на оста, защото умножението по −1 е огледално отражение спрямо нулата.
Равносилни преобразувания на неравенства
Доказателство
- Всичко следва от едно наблюдение: означава, че разликата е положителна.
- Прибавяне: , следователно – разликата изобщо не се променя.
- Умножение по : е произведение на две положителни числа, значи е положително и .
- Умножение по : е произведение на отрицателно и положително число – отрицателно. Значи , т.е. – знакът се обръща.
- Защо решенията не се променят: всяко от тези действия може да се отмени с действие от същия вид (изваждаме , умножаваме по , което има същия знак като ). Всяко решение на новото неравенство е решение и на старото, и обратно.
∎
3. Линейни неравенства
Алгоритъмът е същият като при – скоби, , прехвърляне, привеждане. Внимаваме само на последната стъпка: ако делим на отрицателно число, обръщаме знака.
Пример
Таксито от началото: кога първата фирма е по-изгодна? Нека е разстоянието в km.
- Цената при първата фирма: ; при втората:
- Търсим кога първата е по-евтина:
- Прехвърляме:
- Делим на (знакът се запазва): (по-точно )
- Отговор: за пътувания под около 6,7 km е по-изгодна първата фирма, за по-дълги – втората
Пример
Да решим неравенството
- Разкриваме скобите:
- Привеждаме:
- Прехвърляме:
- Делим на и обръщаме знака:
- Отговор:
📏 Неравенство на числовата ос
Направи коефициента a отрицателен и виж кога знакът се обръща. С пробната точка провери кои числа наистина са решения.
−2x + 1 < −5
−2x < −5 − 1 = −6
Делим на (−2): a < 0 ⇒ знакът се обръща: x > 3
Отговор: x ∈ (3; +∞)
Проба: x = 0 ⇒ 1 < −5 е невярно ✗
4. Системи и двойни неравенства
Система от неравенства изисква всички да са изпълнени едновременно – решението е сечението на решенията им (общата част на оста). Двойното неравенство е съкратен запис на системата и .
Обща част – интервал
и
Едното съдържа другото
и
Нямат обща част
и няма решение
Пример
Да решим двойното неравенство
- Изваждаме 1 от трите части:
- Делим трите части на :
- Отговор: ; целите решения са
5. Метод на интервалите
Как да решим ? Не бива да „делим на множителите“ – не знаем знака им. Вместо това следим знака на целия израз. Квадратните неравенства вече решавахме с в урока Квадратни функции; методът на интервалите е обобщението за произведения и частни с много множители.
Метод на интервалите
Пример
Да решим неравенството
- Сравняваме с 0:
- Умножаваме по −1 и обръщаме знака:
- Критични точки: 2 (знаменател) и 5 (числител). Знаци: + за , − между 2 и 5, + за
- Търсим : средният интервал, с 5 (нула на числителя), но без 2 (нула на знаменателя)
- Отговор:
Защо методът на интервалите работи?
- Множителят е положителен при и отрицателен при – сменя знака си само в точката .
- Знакът на произведение (или частно) се определя от знаците на множителите: той е точно когато отрицателните множители са нечетен брой. Между две съседни критични точки никой множител не сменя знака си, затова и знакът на целия израз е постоянен.
- В най-десния интервал е по-голямо от всички критични точки и всички множители са положителни – знакът е (ако сме внимавали коефициентите пред да са положителни).
- Когато минем наляво през точката , сменя знака си само множителят . При нечетно той сменя знака, а при четно остава неотрицателен – оттам и правилото за четните и нечетните степени.
- Нулите на знаменателя никога не влизат в отговора, защото там изразът не е дефиниран.
∎
🐍 Метод на интервалите
Нулите на числителя и знаменателя делят оста на интервали. Във всеки интервал знакът е постоянен – „змийката“ минава над оста при „+“ и под нея при „−“.
(x + 2)(x − 1)(x − 3) > 0
Критични точки: −2, 1, 3. Вдясно от най-голямата всички множители са положителни ⇒ знак „+“.
При нечетна степен знакът се сменя при преминаване през точката, при четна степен – не се сменя.
Отговор: x ∈ (−2; 1) ∪ (3; +∞)
6. Неравенства с модул
Модулът като разстояние
Доказателство
- Нека . Достатъчно е да докажем, че при : .
- Ако , то и условието е ; заедно с това е .
- Ако , то и условието е , т.е. ; заедно с това е .
- Обединението на двата случая е , т.е. . Неравенството е вярно точно когато и не са – това са двата лъча извън интервала .
- Ако : модулът е неотрицателен, следователно никога не е по-малък от и винаги е по-голям от него.
∎
📐 Модулът като разстояние
|x − a| е разстоянието от x до a. Неравенството пита: кои точки са на разстояние по-малко от r от a?
|x − 1| < 3
−2 < x < 4
x ∈ (−2; 4)
Пример
Да решим неравенството
- Записваме като двойно неравенство:
- Прибавяме 3:
- Делим на 2:
- Отговор:
7. Доказване на неравенства
На олимпиадите често не решаваме неравенство, а доказваме, че то е вярно за всички допустими стойности. Основният инструмент е простият факт, че квадратът на число никога не е отрицателен: .
Неравенство между средно аритметично и средно геометрично
Доказателство
- Квадратът на всяко реално число е неотрицателен: .
- Разкриваме скобите: , т.е. , и делим на 2.
- Равенство има точно когато , т.е. , т.е. .
∎
Друго доказателство – с окръжност
- Начертаваме отсечка с дължина и точка върху нея с , . Над като диаметър чертаем полуокръжност с радиус .
- Издигаме перпендикуляр в до пресичането му с полуокръжността в точка . Ъгълът е прав (вписан ъгъл, опрян на диаметър), а е височината към хипотенузата. По теоремата за височината в правоъгълен триъгълник , т.е. .
- е полухорда, перпендикулярна на диаметъра, и не може да е по-дълга от радиуса: . Равенство има, когато е радиус, т.е. когато е центърът и .
∎
Пример
Да докажем, че за всяко . Кога има равенство?
- Прилагаме неравенството за числата и :
- Умножаваме по 2:
- Равенство има при , т.е.
- Следствие: от всички правоъгълници с лице 1 най-малък периметър има квадратът
8. Задачи от живота
Внимавай с отговора: ако неизвестното е брой хора или билети, то е – и „“ означава „поне 69“.
📱 Мобилен план
План А струва 10 € на месец плюс 0,05 € за всяка минута разговор. План Б струва 25 € на месец с неограничени минути. Под колко минути на месец план А е по-изгоден?
📚 Срок
Имаш оценки 5, 6 и 5. Предстои още една. Каква най-малко трябва да е тя, за да имаш среден успех поне 5,50?
🛗 Асансьор
Товароносимостта на асансьор е 630 kg. В него вече има количка със 120 kg товар. Колко души по 75 kg най-много могат да се качат?
🎤 Училищен концерт
Наемът на залата е 240 €. Всеки билет се продава за 4 €, а отпечатването му струва 0,50 €. Колко билета най-малко трябва да се продадат, за да има печалба?
🏡 Ограда
С ограда искаме да оградим правоъгълна леха с лице поне . В какви граници може да бъде едната страна?
💊 Лекарство
Лекарство се съхранява при температура от 15 °C до 25 °C. Американски термометър показва °F, като . В какви граници трябва да е показанието му?
Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.
9. ⚠️ Чести грешки
Необърнат знак
✗
✓
Умножение по израз с неизвестен знак
✗
✓
Включена нула на знаменателя
✗
✓
„Корен“ от неравенство
✗
✓ или
Обединение вместо сечение
✗ и всяко
✓
Модул, по-голям от число
✗
✓ или
10. Тренажор
Реши неравенството и запиши отговора във вида „ число“: избери знака и въведи границата.
x + 11 ≥ −6x + 25
11. 🎯 Бърз тест
Реши неравенството
12. 📝 Задачи за упражнение
Ниво А· Областен кръг
Ниво В· Национален кръг
Ниво С· Международна олимпиада
13. Обобщение
- ✓ Решенията на неравенство обикновено образуват интервали; ( ) – без края, [ ] – с края
- ✓ При умножение или делене на отрицателно число знакът се обръща
- ✓ Система неравенства → сечение на решенията; двойно неравенство → действия с трите части
- ✓ Метод на интервалите: нули → знаци → избор; на знаменателя не влизат в отговора
- ✓ – точки близо до (един интервал); – далеч от (два лъча)
- ✓ при ; равенство само при
- ✓ Свойствата на неравенствата следват от ; средно аритметично ≥ средно геометрично – от
- ✓ В текстовите задачи проверяваме дали отговорът трябва да е цяло число
💡 Интересен факт
Знаците < и > се появяват в печат в книгата на английския математик Томас Хариът „Artis Analyticae Praxis“, издадена през 1631 г., десет години след смъртта му. Знаците за „по-малко или равно“ и „по-голямо или равно“ се приписват на френския учен Пиер Бугер (1734 г.), макар че тогава са изглеждали малко по-различно – с две черти отдолу.