Задание 16
тема 11 из 14

Показательные неравенства

В показательном неравенстве неизвестное стоит в показателе степени. Обе части записывают как степени одного основания и сравнивают показатели. При основании больше 1 знак неравенства сохраняется, при основании от 0 до 1 он меняется на противоположный. Степень axa^x всегда положительна: это отсекает лишние значения новой переменной и убирает лишние множители.

Часто в задании16На карте навыков

Степени одного основания

Пусть a>0a > 0 и a≠1a \ne 1. При a>1a > 1 неравенство af(x)>ag(x)a^{f(x)} > a^{g(x)} равносильно f(x)>g(x)f(x) > g(x). При 0<a<10 < a < 1 оно равносильно f(x)<g(x)f(x) < g(x).

  • Запишите обе части как степени одного основания.
  • Сравните основание с 1. При a>1a > 1 оставьте знак, при 0<a<10 < a < 1 поменяйте его.
  • Решите неравенство для показателей.
  • Если степени стоят в сумме или в дроби, сделайте замену t=axt = a^x или найдите знак каждого множителя методом интервалов.

Знак неравенства и основание

НеравенствоОснование больше 1Основание от 0 до 1
функция y=axy = a^xвозрастаетубывает
af>aga^{f} > a^{g}f>gf > gf<gf < g
ax>ca^{x} > c, где c>0c > 0x>log⁡acx > \log_a cx<log⁡acx < \log_a c
ax>ca^{x} > c, где c≤0c \le 0любое xxлюбое xx

Решение на графике

2x>32^{x} > 3
xy011y = 3
2x>2log⁡232^{x} > 2^{\log_{2} 3}
x>log⁡23≈1,58x > \log_{2} 3 \approx 1{,}58
Основание 2>12 > 1: функция возрастает, знак неравенства сохраняется.
Решения неравенства — те xx, при которых график y=axy = a^x лежит выше или ниже прямой y=cy = c. Двигайте прямую, меняйте основание aa и знак.

Основание больше 1: знак сохраняется

При a>1a > 1 функция y=axy = a^x возрастает: большей степени соответствует больший показатель. Поэтому af(x)>ag(x)a^{f(x)} > a^{g(x)} равносильно f(x)>g(x)f(x) > g(x), знак тот же. Число справа запишите как степень основания по таблице степеней. Если показатель — квадратный трёхчлен или дробь, дальше решают квадратное или дробное неравенство.

Пример

2x2−1≤82^{x^2 - 1} \le 8

  1. 1.8=238 = 2^3, поэтому 2x2−1≤232^{x^2 - 1} \le 2^3.
  2. 2.Основание 2>12 > 1, знак сохраняется: x2−1≤3x^2 - 1 \le 3.
  3. 3.x2≤4x^2 \le 4, то есть −2≤x≤2-2 \le x \le 2.

Ответ: [−2;2][-2; 2]

Основание меньше 1: знак меняется

При 0<a<10 < a < 1 функция y=axy = a^x убывает: большей степени соответствует меньший показатель. Поэтому af(x)>ag(x)a^{f(x)} > a^{g(x)} равносильно f(x)<g(x)f(x) < g(x). Десятичное основание запишите обыкновенной дробью: 0,25=140{,}25 = \frac{1}{4}, 0,2=150{,}2 = \frac{1}{5}, 0,125=180{,}125 = \frac{1}{8}.

Знак можно не менять, если перейти к основанию больше 1: (1a)f=a−f\left(\frac{1}{a}\right)^{f} = a^{-f} по свойству отрицательного показателя. Тогда минус переходит в показатель, а знак остаётся.

Пример

(13)2x−1>27\left(\frac{1}{3}\right)^{2x - 1} > 27

  1. 1.27=(13)−327 = \left(\frac{1}{3}\right)^{-3}, поэтому (13)2x−1>(13)−3\left(\frac{1}{3}\right)^{2x - 1} > \left(\frac{1}{3}\right)^{-3}.
  2. 2.Основание 13<1\frac{1}{3} < 1, знак меняется: 2x−1<−32x - 1 < -3.
  3. 3.2x<−22x < -2, x<−1x < -1.
  4. 4.Проверка через основание 3: 31−2x>333^{1 - 2x} > 3^3, знак сохраняется, 1−2x>31 - 2x > 3, x<−1x < -1.

Ответ: (−∞;−1)(-\infty; -1)

Число — не степень основания

Если число c>0c > 0 — не степень основания, запишите его по определению логарифма: c=alog⁡acc = a^{\log_a c}. При a>1a > 1 неравенство ax>ca^{x} > c равносильно x>log⁡acx > \log_a c, а ax<ca^{x} < c равносильно x<log⁡acx < \log_a c. При 0<a<10 < a < 1 знаки меняются. Логарифм оставляют в ответе как есть.

Чтобы сравнить логарифм с целым числом, запишите число как логарифм с тем же основанием: 2=log⁡392 = \log_3 9, поэтому log⁡35<2\log_3 5 < 2.

Пример

5x+1>155^{x + 1} > 15

  1. 1.15 — не степень пятёрки: 15=5log⁡51515 = 5^{\log_5 15}.
  2. 2.Основание 5>15 > 1, знак сохраняется: x+1>log⁡515x + 1 > \log_5 15.
  3. 3.x>log⁡515−1=log⁡515−log⁡55=log⁡53x > \log_5 15 - 1 = \log_5 15 - \log_5 5 = \log_5 3 по свойству разности логарифмов.

Ответ: (log⁡53;+∞)(\log_5 3; +\infty)

Показательная замена в неравенстве

Если в неравенстве есть a2f(x)a^{2f(x)} и af(x)a^{f(x)}, обозначьте t=af(x)t = a^{f(x)}. Числа из показателя выносят по свойствам степени: 9x=t29^x = t^2 и 3x+1=3t3^{x + 1} = 3t при t=3xt = 3^x. Новая переменная положительна, поэтому промежуток t≤0t \le 0 не даёт ни одного xx. Как решить неравенство для tt и учесть условие t>0t > 0, разобрано в теме Замена в неравенстве.

Обратная замена даёт простейшее неравенство af(x)>ca^{f(x)} > c. Запишите cc степенью основания и сравните показатели по правилу основания. Если в показателе дробь, получится дробное неравенство.

Пример задания

Открытый банк ФИПИ

Решите неравенство 161x−1−41x−1−2≥0.16^{\frac{1}{x} - 1} - 4^{\frac{1}{x} - 1} - 2 \geq 0 .

Степень всегда положительна

ax>0a^x > 0 при любом xx. Поэтому при c≤0c \le 0 неравенство ax>ca^x > c верно для всех xx, а ax<ca^x < c решений не имеет. Сумма ax+ca^x + c при c≥0c \ge 0 тоже положительна. Положительный множитель не меняет знак произведения или дроби: его отбрасывают, а знак неравенства оставляют.

Пример

(x−2)(9x+3x−2)≤0(x - 2)(9^{x} + 3^{x} - 2) \le 0

  1. 1.Пусть t=3xt = 3^x, t>0t > 0. Вторая скобка: t2+t−2=(t+2)(t−1)t^2 + t - 2 = (t + 2)(t - 1).
  2. 2.3x+2>03^x + 2 > 0 при любом xx: этот множитель отбросьте, знак неравенства сохранится. Уравнение 3x=−23^x = -2 корней не имеет.
  3. 3.Остаётся (x−2)(3x−1)≤0(x - 2)(3^x - 1) \le 0. 3x>30=13^x > 3^0 = 1 при x>0x > 0 и 3x<13^x < 1 при x<0x < 0: знак 3x−13^x - 1 совпадает со знаком xx.
  4. 4.x(x−2)≤0x(x - 2) \le 0, то есть 0≤x≤20 \le x \le 2.

Ответ: [0;2][0; 2]

Дробь с показательными выражениями

Перенесите всё в одну часть, приведите к одной дроби и разложите числитель и знаменатель на множители. Каждый множитель либо положителен при всех xx, либо меняет знак в одной точке: af(x)−ca^{f(x)} - c меняет знак там, где af(x)=ca^{f(x)} = c. Если таких множителей несколько, замените каждый более простым множителем с тем же знаком.

Трёхчлен t2−2kt+k2t^2 - 2kt + k^2 — полный квадрат (t−k)2(t - k)^2. Такой знаменатель положителен везде, кроме одной точки: её выкалывают, а знак дроби задаёт числитель.

Пример

0,25x−416x−4x+2+64≤0\frac{0{,}25^{x} - 4}{16^{x} - 4^{x + 2} + 64} \le 0

  1. 1.Знаменатель: 16x=(4x)216^x = (4^x)^2 и 4x+2=16⋅4x4^{x + 2} = 16 \cdot 4^x, поэтому он равен (4x)2−16⋅4x+64=(4x−8)2(4^x)^2 - 16 \cdot 4^x + 64 = (4^x - 8)^2.
  2. 2.(4x−8)2=0(4^x - 8)^2 = 0 при 4x=84^x = 8, то есть 22x=232^{2x} = 2^3 и x=1,5x = 1{,}5. Эта точка выколота. При других xx знаменатель положителен.
  3. 3.Значит, числитель ≤0\le 0: 0,25x≤40{,}25^x \le 4, то есть (14)x≤(14)−1\left(\frac{1}{4}\right)^x \le \left(\frac{1}{4}\right)^{-1}.
  4. 4.Основание меньше 1, знак меняется: x≥−1x \ge -1.
  5. 5.Уберите выколотую точку: x≥−1x \ge -1 и x≠1,5x \ne 1{,}5.

Ответ: [−1;1,5)∪(1,5;+∞)[-1; 1{,}5) \cup (1{,}5; +\infty)

Проверьте себя

00

Потренируйте навык

Все задания на этот навык

Решать