Сборник задач по математике с решениями для поступающих в вузы

Глава 1 Геометрические задачи на плоскости

Обозначения: а, b, с — стороны треугольника; А, В, С — углы, лежащие против этих сторон, соответственно; m_а — медиана стороны а; l_A — биссектриса угла А; h_a — высота, опущенная на сторону а; R — радиус описанной окружности; r — радиус вписанной окружности; P = 2р — периметр многоугольника.

Длиной биссектрисы внешнего угла А треугольника называется отрезок биссектрисы, заключенный между точкой А и точкой пересечения биссектрисы с продолжением стороны а.

Отношение площадей двух треугольников, имеющих общий угол, равно отношению произведений сторон, заключающих этот общий угол.

Имеет место формула, выражающая длину медианы треугольника через длины его сторон:.

Если в многоугольник можно вписать окружность, то его площадь S = pr.

Площадь четырехугольника: S = ½ d₁d₂ sin α, где d₁ и d₂ — длины его диагоналей, а α — угол между ними.

При решении планиметрических задач приходится применять производные пропорции.

Если .

Если , то

, где комбинация знаков берется любая, но одинаковая для числителя и знаменателя.

1.1. Вокруг правильного треугольника ABC описана окружность O радиусом R. Окружность O₁ касается двух сторон AB и BC треугольника и окружности O. Найдите расстояние от центра окружности О₁ до вершины А.

1.2. Высота равнобедренного треугольника с углом α при основании больше радиуса вписанного в него круга на m. Определите основание треугольника и радиус описанной окружности.

1.3. Докажите, что радиус окружности, делящей пополам стороны треугольника, вдвое меньше радиуса окружности, описанной около этого треугольника.

1.4. В треугольнике соединены основания биссектрис. Найдите отношение площади данного треугольника к площади образовавшегося треугольника, если стороны данного треугольника относятся как p : q : l.

1.5. Даны углы A, B, C треугольника ABC. Пусть окружность касается сторон BC, AC и AB треугольника соответственно в точках A₁, B₁, C₁. Найдите отношение площади треугольника A₁B₁C₁ к площади треугольника ABC.

1.6. Дан треугольник ABC, углы B и C которого относятся как 3 : 1, а биссектриса угла А делит площадь треугольника в отношении 2 : 1. Найдите углы треугольника.

1.7. Найдите длину l биссектрисы внешнего угла А треугольника, если даны его стороны b и c и угол А между ними (b ≠ c).

1.8. В треугольнике площади S, с острым углом α при вершине А биссектриса угла А в p раз меньше радиуса описанного и в q раз больше радиуса вписанного круга. Найдите сторону треугольника, лежащую против угла А.

1.9. В треугольнике ABC проведены биссектрисы AM и BN. Пусть O — точка их пересечения. Известно, что

AO : OM = √3 : 1, а BO : ON = 1 : (√3 − 1).

Найдите углы треугольника.

1.10. Внутри угла а взята точка M. Ее проекции P и Q на стороны угла удалены от вершины O угла на расстояния OP = p и OQ = q. Найдите расстояния MP и MQ от точки M до сторон угла.

1.11. В остроугольном треугольнике две высоты равны 3 и 2√2 см, а их точка пересечения делит третью высоту в отношении 5 : 1, считая от вершины треугольника. Найдите площадь треугольника.

1.12. В треугольнике ABC разность углов B и C равна ^π/₂. Определите угол C, если известно, что сумма сторон b и c равна k, а высота, опущенная из вершины A, равна h.

1.13. В треугольнике ABC имеется точка O, такая, что углы ABO, ВСО и CAO равны α. Выразите ctg α через площадь треугольника и его стороны.

1.14. В треугольнике ABC дана разность φ углов A и В (φ = A − В > 0). Известно, что высота, опущенная из С на AB, равна BC − AC. Найдите углы треугольника.

1.15. Даны длины высот AA₁ = h_a и ВВ₁ = h_b треугольника ABC и длина CD = l биссектрисы угла С. Найдите угол С.

1.16. В треугольник с основанием а и противоположным углом α вписана окружность Через центр этой окружности и концы основания треугольника проведена вторая окружность Найдите ее радиус.

1.17. Докажите, что если длины сторон треугольника образуют арифметическую прогрессию, то центр окружности, вписанной в этот треугольник, и точка пересечения его медиан лежат на прямой, параллельной средней по длине стороне треугольника.

1.18. В треугольнике ABC радиус вписанной окружности равен r, сторона BC больше r в k раз, а высота, опущенная на эту сторону, больше r в 4 раза. Найдите полупериметр p, tg ^A/₂ и стороны b и c.

1.19. Углы С, A, В треугольника ABC образуют геометрическую прогрессию со знаменателем 2. Пусть O — центр окружности, вписанной в треугольник ABC, K — центр вневписанной окружности, касающейся стороны AC, L — центр вневписанной окружности, касающейся стороны BC. Докажите, что треугольники ABC и OKL подобны.

1.20. В треугольнике ABC углы A, В и С образуют геометрическую прогрессию со знаменателем 2. Докажите, что

1.21. Докажите, что если P, Q, R — соответственно точки пересечения каждой из сторон BC, CA, AB (или их продолжений) треугольника ABC с некоторой прямой, то

(теорема Менелая).

1.22. Точка D находится на стороне BC треугольника ABC. Докажите, что

AB² · DC + AC² · BD − AD² · BC = BC · DC · BD

(теорема Стюарта).

1.23. На сторонах треугольника ABC взяты точки P, Q и R так, что три прямые AP, BQ и CR пересекаются в одной точке. Докажите, что

(теорема Чевы).

1.24. Через произвольную точку O, взятую внутри треугольника ABC, проведены прямые DE, FK, MN, параллельные соответственно AB, AC, BC, причем F и M лежат на AB, E и K — на BC, N и D — на AC. Докажите, что

1.25. Через центр O правильного треугольника ABC проведена произвольная прямая. Докажите, что сумма квадратов расстояний от вершин треугольника до этой прямой не зависит от выбора прямой.

1.26. Вокруг треугольника ABC, в котором а = 2, b = 3 и угол C = 60°, описана окружность. Определите радиусы окружностей, проходящих через две вершины треугольника и центр описанной окружности.

1.27. Стороны треугольника связаны соотношением а² = c(b + с). Докажите, что угол A вдвое больше угла C.

1.28. Пусть O — центр окружности, вписанной в треугольник ABC. Докажите, что если OA² = OB · OC, то

1.29. Площадь , треугольника ABC удовлетворяет соотношению S = а² − (b − с)². Найдите угол A.

1.30. На сторонах треугольника внешним образом построены квадраты. Докажите, что расстояние между центрами квадратов, построенных на боковых сторонах, равно расстоянию от центра квадрата, построенного на основании, до противоположной вершины треугольника.

1.31. В треугольнике ABC единичной площади проведен отрезок AD, пересекающий медиану CF в точке M, причем FM = ¼CF. Найдите площадь треугольника ABD.

1.32. Докажите, что произведение диагоналей вписанного четырехугольника равно сумме произведений противоположных сторон (теорема Птолемея).

1.33. Отрезок, соединяющий середины оснований трапеции, равен их полуразности. Найдите сумму углов при большем основании трапеции.

1.34. Через центр квадрата ABCD проведена прямая, пересекающая сторону AB в точке N, причем AN : NB = 1 : 2. На этой прямой взята произвольная точка M, лежащая внутри квадрата. Докажите, что расстояния от точки M до сторон квадрата AB, AD, BC и CD, взятые в названном порядке, образуют арифметическую прогрессию.

1.35. Квадрат и правильный треугольник, имеющие общую вершину, вписаны в окружность единичного радиуса. Найдите площадь, покрытую и квадратом и треугольником.

1.36. В окружность вписаны равнобедренный остроугольный треугольник площадью S, и трапеция так, что ее большее основание совпадает с диаметром окружности, а боковые стороны параллельны боковым сторонам треугольника. Средняя линия трапеции равна l. Найдите высоту трапеции.

1.37. Найдите отношение площади трапеции ABCD к площади треугольника AOD, где O —точка пересечения диагоналей трапеции, если известно, что .

1.38. Два правильных многоугольника с периметрами a и b описаны около окружности, а третий правильный многоугольник вписан в эту окружность. Второй и третий многоугольники имеют каждый вдвое больше сторон, чем первый. Найдите периметр третьего многоугольника.

1.39. Внутри угла AOB, меньшего π, дана точка M, находящаяся на расстоянии а от вершины угла. Отрезок ОМ образует углы α и β со сторонами угла AOB. Найдите радиус R окружности, проходящей через M и отсекающей на сторонах угла AOB хорды, равные 2а.

1.40. Из внешней точки A проведены две взаимно перпендикулярные секущие ABD и ACE к окружности с центром O. Площади треугольников ABC и АDЕ относятся как m : n. Определите величины дуг BC и DЕ, каждая из которых меньше полуокружности.

1.41. Из точки А, лежащей на окружности радиуса r, проведены две хорды AC и AB. Эти хорды лежат по одну сторону от диаметра окружности, проходящего через точку А. Длина большей хорды равна b, а угол ВАС равен α. Найдите радиус окружности, которая касается хорд AB и AC и дуги BC.

1.42. Даны две концентрические окружности радиусов R и r (R > r). Найдите сторону квадрата, две вершины которого лежат на одной окружности, а две другие — на другой. При каком соотношении между радиусами данных окружностей решение задачи возможно и при каком соотношении задача имеет единственное решение?

1.43. В сегмент, дуга которого содержит 120°, вписан квадрат. Определите сторону квадрата, если радиус R круга равен 2 + √19 .

1.44. У равнобочной трапеции с бо́льшим основанием а и острым углом α высота вдвое меньше меньшего основания. На меньшем основании, как на диаметре, построена окружность. Найдите радиус окружности, касающейся построенной окружности, большего основания и боковой стороны.

1.45. AB и CD — два взаимно перпендикулярных диаметра окружности S₁. С центром в точке D радиусом BD построена окружность S₂. Из точки D проведены две прямые, пересекающие окружность S₁ в точках P и Q и дугу AB окружности S₂, заключенную внутри окружности S₁, в точках M и N. Точки P и Q спроецированы на AB; P₁ и Q₁ соответственно — их проекции. Докажите, что фигура RMNQ равновелика треугольнику P₁Q₁D.

1.46. Через точку P, лежащую вне окружности с центром O и радиусом R, проходят две взаимно перпендикулярные секущие. Первая секущая пересекает окружность в точках А и С (точка С лежит между P и А), а вторая секущая — в точках В и D (D лежит между P и В). Пусть Р₁ — проекция P на AB, а M — одна из точек пересечения AB с окружностью, центр которой Р₁, а радиус Р₁О. Найдите длину МР.

1.47. Найдите угол между двумя хордами, пересекающимися внутри окружности, если точка их пересечения удалена от центра окружности на 3/5 ее радиуса и делит одну хорду пополам, а другую — в отношении 4 : 9.

1.48. Дан сектор ОАВ (O — центр) с центральным углом в 90° и радиусом R. На отрезке ОВ, как на диаметре, построена полуокружность, лежащая внутри сектора. Найдите радиус окружности, касающейся этой полуокружности и отрезков ОА и AB.

1.49. В круге проведена хорда AB, пересекающая диаметр DE круга в точке M и наклоненная к нему под углом φ. Дано, что , где p и q — известные числа. Из точки В проведена хорда BC, перпендикулярная к диаметру DE, и точка С соединена с точкой А. Найдите площадь треугольника ABC, если радиус круга равен R.

1.50. Площадь треугольника равна S, а длины его сторон образуют арифметическую прогрессию, разность которой равна d. Найдите радиус описанной окружности.

1.51. В треугольнике ABC точка P лежит на стороне AB и AB = 2АР, точка Q — на стороне BC и BC = 4BQ, точка R — на стороне AC и AC = 5АВ. Отрезки PQ и BR пересекаются в точке T. В каком отношении точка T делит отрезок PQ?

1.52. В треугольнике PQR на стороне PQ взята точка N а на стороне РR — точка L. Отрезки QL и RN пересекаются в точке T. Дано QN = RL, QT : TL = m : n. Найдите PN : PR.

1.53. Две окружности с центрами О₁ и О₂ пересекаются в точках M и N. Точка О₂ лежит на первой окружности. Найдите периметр фигуры, являющейся пересечением данных окружностей, если .

1.54. Найдите наибольшее возможное значение площади четырехугольника ABCD, если он вписан в окружность радиусом 1 и угол при вершине В меньше 45°.

Глава 2 Построения на плоскости

2.1. Пункты А и В находятся по разные стороны от реки, ширина которой постоянна, а берега прямолинейны. В каком месте надо возвести мост через реку, чтобы путь от одного пункта в другой был кратчайшим?

2.2. Постройте равносторонний треугольник ABC, если дана его сторона а и известно, что его стороны AB, AC и биссектриса AD (или их продолжения) проходят соответственно через три данные точки M, N, P, лежащие на одной прямой.

2.3. Постройте треугольник по стороне а, высоте h_а и разности углов В − С = φ.

2.4. Постройте треугольник ABC по стороне b, радиусу R описанной окружности и медиане m_с.

2.5. Постройте треугольник, зная центры его вписанной, описанной и вневписанной окружностей.

2.6. На сторонах AB и BC треугольника ABC или на их продолжениях постройте соответственно точки D и E так, чтобы AD = DE = EC.

2.7. Через точку, лежащую внутри угла, проведите прямую так, чтобы отсекаемый ею треугольник был наименьшей площади.

2.8. Постройте треугольник по А, h_а и 2p.

2.9. Внутри данного остроугольного треугольника ABC найдите точку P, сумма расстояний которой от вершин А, В и С была бы наименьшей.

2.10. Постройте прямоугольный треугольник по данной гипотенузе с и биссектрисе l прямого угла.

2.11. Постройте четырехугольник, если известны три его стороны и два внутренних острых угла, прилежащих к четвертой стороне.

2.12. Из данной точки M, лежащей вне круга, проведите секущую так, чтобы внешняя ее часть равнялась внутренней.

2.13. Через точку пересечения двух окружностей проведите секущую так, чтобы отрезок ее, заключенный внутри окружностей, имел данную длину а.

2.14. Через точку M внутри окружности проведите хорду так, чтобы разность ее отрезков равнялась данному отрезку.

2.15. Даны окружность, ее хорда CD и две точки А и В окружности, лежащие по одну сторону от CD. На этой окружности постройте точку M так, чтобы хорды AM и BM высекали на CD отрезок PQ заданной длины а.

2.16. Даны окружность, две ее точки А и В, секущая и точка M, лежащая на ней внутри окружности. Найдите на окружности такую точку С, чтобы прямые AC и BC высекали на данной секущей отрезок, делящийся в точке M пополам.

2.17. Постройте окружность, проходящую через данные точки А и В и касающуюся данной прямой PQ.

2.18. Пользуясь только линейкой, опустите перпендикуляр из точки M, лежащей вне окружности, на данный диаметр окружности (или на его продолжение).

2.19. Пользуясь только линейкой, опустите перпендикуляр из точки M, лежащей на окружности, на данный диаметр окружности.

2.20. Точки А и В лежат по разные стороны прямой l. Найдите на ней такую точку С, чтобы величина |AC − BC| была наибольшей.

2.21. Дан выпуклый четырехугольник, не являющийся квадратом. Постройте описанный около него квадрат так, чтобы на каждой стороне квадрата лежала одна вершина четырехугольника.

2.22. Дан отрезок длины 7. С помощью циркуля и линейки постройте отрезок длины √7.

2.23. Даны два отрезка: длины 1 и длины а. С помощью циркуля и линейки постройте отрезок длины .

Глава 3 Геометрические задачи в пространстве

Прежде чем приступить к решению стереометрических задач, обратите внимание на следующие определения и теоремы.

Признак перпендикулярности прямой и плоскости и теорему о трех перпендикулярах нужно формулировать так:

Прямая перпендикулярна к плоскости, если она перпендикулярна к двум пересекающимся прямым этой плоскости.

Если проекция наклонной на плоскость перпендикулярна к прямой, лежащей в этой плоскости, то и сама наклонная перпендикулярна к этой прямой.

Требование, чтобы прямые, лежащие в плоскости, и прямая, перпендикулярная к этим прямым, проходили через общую точку, излишне. Точно так же не следует требовать, чтобы наклонная, о которой идет речь в теореме о трех перпендикулярах, и прямая, лежащая в плоскости, проходили через общую точку.

Расстоянием между двумя прямыми AB и CD называется наименьшее из расстояний между двумя точками, одна из которых принадлежит AB, а другая — CD.

Две прямые называются параллельными, если через них можно провести плоскость и они не пересекаются.

Две прямые называются скрещивающимися, если через них нельзя провести плоскость.

Расстоянием между двумя скрещивающимися прямыми является длина отрезка, высекаемого ими на прямой, перпендикулярной к обеим скрещивающимся прямым.

Последнее утверждение является теоремой, а не определением, и может быть доказано.

Во всех последующих задачах рассматриваются только выпуклые многогранники, т. е. такие, которые лежат по одну сторону от любой из его граней. Грани рассматриваемых многогранников являются выпуклыми многоугольниками.

Призмой называется многогранник, в котором две грани — равные многоугольники с соответственно параллельными сторонами, а остальные грани пересекаются между собой по прямым, параллельным друг другу.

Второе требование в этом определении нельзя заменить условием: «остальные грани — параллелограммы», так как иначе пришлось бы отнести к призмам многогранник, составленный из двух равных наклонных параллелепипедов, симметричных относительно плоскости их общего основания, крест, образованный из пяти равных кубиков и m. n.

Если боковые ребра (грани) пирамиды одинаково наклонены к плоскости основания, то высота пирамиды проецируется в центр описанной вокруг основания (вписанной в основание) окружности.

Если боковые ребра и грани пирамиды одинаково наклонены к плоскости основания, то пирамида правильная.

Площадь ортогональной проекции многоугольника на плоскость P равна произведению площади этого многоугольника на косинус угла между плоскостью многоугольника и плоскостью P.

Если все боковые грани пирамиды наклонены к основанию под углом α, то S_{основания} = S_{боковой поверхности} ·cos α.

Треугольную пирамиду называют тетраэдром.

Правильным тетраэдром называется тетраэдр, у которого все ребра равны.

В задачах рассматриваются только прямые круговые конусы и цилиндры.

Конус (цилиндр) называется равносторонним, если его осевое сечение есть правильный треугольник (квадрат).

3.1. Через точку, лежащую на ребре двугранного угла α (0 < α < ^π/₂), проходят два луча, расположенных в различных полуплоскостях его. Один из этих лучей перпендикулярен к ребру, а другой образует с ребром острый угол β. Найдите угол между данными лучами.

3.2. Гипотенуза прямоугольного треугольника лежит в некоторой плоскости P, а катеты составляют с этой плоскостью углы α и β. Определите угол между плоскостью P и плоскостью треугольника.

3.3. Стороны угла α наклонены к плоскости P под углами β и γ. Найдите косинус угла, являющегося проекцией угла α на плоскость P.

3.4. Даны четыре скрещивающиеся прямые: а, b, с и d. Постройте прямую, параллельную а и одинаково удаленную от остальных трех прямых.

3.5. Равносторонний треугольник ABC со стороной, равной а, лежит на плоскости P. На перпендикуляре, восставленном из точки А к плоскости P, отложен отрезок АS = а. Найдите тангенс острого угла между прямыми AB и AC.

3.6. В пространстве даны два луча Ax и By, не лежащие в одной плоскости и образующие между собой угол 90°; AB — их общий перпендикуляр. На лучах Ax и By взяты точки: M на Ax и P на By, такие, что 2АМ · ВР = AB². Докажите, что расстояние от середины O отрезка AB до прямой MP равно ¹/₂AB.

3.7. Докажите, что четырехгранный угол можно пересечь плоскостью так, чтобы в сечении получился параллелограмм.

3.8. На плоскости P лежит правильный треугольник ABC со стороной а. Из точек С и В восставлены перпендикуляры к плоскости P и на них отложены отрезки СЕ = а√2 и BD = ^a/_√2 (с одной стороны от плоскости P). Найдите площадь треугольника DEA и косинус угла между плоскостью P и плоскостью этого треугольника.

3.9. Найдите объем пирамиды, в основании которой лежит правильный треугольник со стороной а, если двугранные углы между плоскостью основания и боковыми гранями равны α, β и γ.

3.10. Основанием пирамиды DABC служит равнобедренный треугольник ABC с площадью S и основанием AB = а. Две боковые грани пирамиды, опирающиеся на равные стороны основания, имеют при вершине пирамиды прямые углы. Найдите угол, образованный третьей боковой гранью пирамиды и плоскостью основания, если объем пирамиды равен V.

3.11. В правильной треугольной пирамиде площадь основания равна √3, а угол бокового ребра с плоскостью основания в четыре раза меньше плоского угла при вершине. Найдите площадь боковой поверхности.

3.12. В тетраэдр вписан другой тетраэдр так, что его вершины лежат в точках пересечения медиан граней первого тетраэдра. Найдите отношение объемов тетраэдров.

3.13. Шар касается всех боковых граней пирамиды в точках пересечения их медиан, причем центр шара находится внутри трехгранного угла, образованного боковыми гранями пирамиды. Докажите, что пирамида правильная.

3.14. Докажите, что в усеченной пирамиде сторона квадрата, равновеликого площади сечения пирамиды, проходящего через середину высоты пирамиды параллельно ее основанию, равна среднему арифметическому сторон квадратов, равновеликих основаниям пирамиды.

3.15. В пирамиде ABCD дано BC = а, CA = b, AB = с, DA = а₁, DB = b₁, DC = с₁. Найдите косинус острого угла между скрещивающимися ребрами AD и BC этой пирамиды.

3.16. Плоскость, проходящая через одно из ребер правильного тетраэдра, делит его объем в отношении 3 : 5. Найдите тангенсы углов α и β, на которые эта плоскость делит двугранный угол тетраэдра.

3.17. В правильной четырехугольной пирамиде двугранный угол при основании равен α. Через ребро основания проведена внутри пирамиды плоскость, составляющая с основанием угол β. В каком отношении она делит площади тех боковых граней, которые она рассекает на два треугольника?

3.18. Высота треугольной пирамиды ABCD, опущенная из вершины D, проходит через точку пересечения высот треугольника ABC. Кроме того, известно, что DB = b, DC = с, ∠ BDC = 90°. Найдите отношение площадей граней ADB и ADC.

3.19. В треугольной пирамиде SABC все плоские углы трехгранных углов с вершинами в точках A и B равны α, AB = а. Определите объем пирамиды.

3.20. Две грани треугольной пирамиды — равнобедренные прямоугольные треугольники с общей гипотенузой AB. Двугранный угол при AB равен α. Найдите двугранный угол, у которого ребро есть катет.

3.21. В треугольной пирамиде SABC два плоских угла ASB и BSC при вершине S равны α, а третий плоский угол ASC равен ^α/₂. Ребро AS перпендикулярно к плоскости основания ABC. Найдите угол BAC.

3.22. В тетраэдре ABCD ребро AB = 6, ребро CD = 8, а остальные ребра равны √74. Найдите радиус R описанного шара.

3.23. В правильной треугольной пирамиде двугранный угол между боковыми гранями равен α. Найдите высоту данной пирамиды, если расстояние от основания высоты до бокового ребра равно а. Ответ приведите к виду, удобному для логарифмирования.

3.24. В основании треугольной пирамиды лежит правильный треугольник со стороной а. Одна боковая грань пирамиды представляет собой равнобедренный треугольник с боковой стороной b (b ≠ а) и перпендикулярна к плоскости основания. Найдите площадь сечения, которое является квадратом и пересекает эту грань по прямой, параллельной основанию.

3.25. Боковые ребра треугольной пирамиды равны а, b, с. Плоские углы при вершине прямые. В пирамиду вписан куб так, что одна его вершина находится в вершине пирамиды, а противоположная лежит в плоскости основания пирамиды. Найдите ребро куба.

3.26. В правильную треугольную пирамиду с высотой h вписан куб с ребром а так, что основание куба лежит на основании пирамиды. Найдите объем пирамиды.

3.27. Трехгранный угол, образованный тремя взаимно перпендикулярными прямыми, пересечен плоскостью. Докажите, что полученный в сечении треугольник остроугольный.

3.28. Найдите объем тетраэдра ABCD, если BC = AD = а, CA = DB = b, AB = DC = с.

3.29. В пирамиде ABCD объем V = 48, AB = 12, CD = 8. Расстояние между AB и CD равно 6. Найдите угол между ребрами AB и CD.

3.30. В правильной треугольной призме ABCA₁B₁C₁ проведена плоскость A₁BC. В образовавшуюся над этой плоскостью часть призмы вписан шар радиусом R. Найдите объем призмы.

3.31. Ребро правильного тетраэдра равно а. Найдите радиус шара, касающегося всех ребер тетраэдра.

3.32. В прямоугольный параллелепипед с ребрами а, b и с помещен куб так, что вершина куба O совпадает с вершиной параллелепипеда. Найдите угол между диагоналями куба и параллелепипеда, проведенными через вершину O.

3.33. Сторона треугольника равна а. Разность прилегающих к ней углов равна φ. На треугольнике, как на основании, построена прямая призма. Через ее ребро, противоположное стороне а, проведено сечение площади S, делящее двугранный угол пополам. Найдите объем призмы.

3.34. Найдите расстояние между двумя непересекающимися диагоналями смежных граней куба, ребро которого равно а.

3.35. Ребро куба равно а. Сфера с центром в точке O делит три ребра куба, сходящихся в вершине А, пополам. Из одной такой точки деления K опущен перпендикуляр на диагональ куба, проходящую через вершину А. Угол между этим перпендикуляром и радиусом сферы ОК делится ребром куба пополам. Найдите радиус сферы.

3.36. Одна из сторон плоского четырехугольника равна ^√5/₂. Его проекции на грани прямого двугранного угла — квадраты со стороной 1. Докажите, что четырехугольник лежит в плоскости, параллельной биссекторной плоскости двугранного угла, и найдите его периметр.

3.37. Докажите, что объем правильной пирамиды меньше куба ее бокового ребра.

3.38. Два шара, отношение радиусов которых равно p, касаются друг друга внешним образом. Они помещены внутри конуса так, что центры их находятся на оси конуса; при этом первый шар касается боковой поверхности конуса, а второй — боковой поверхности и основания конуса. Найдите отношение суммы площадей поверхностей этих шаров к площади полной поверхности конуса.

3.39. Сфера вписана в прямой круговой конус с углом α при вершине осевого сечения. В эту сферу вписан конус с таким же углом при вершине осевого сечения. Найдите угол α, если отношение объема первого конуса к объему второго конуса равно а. При каких значениях а задача имеет решение?

3.40. Дана правильная треугольная пирамида SABC (S — вершина) со стороной основания а и боковым ребром b. Одна сфера с центром в точке O₁ касается плоскостей SAB и SAC в точках B и C, а другая сфера с центром в точке О₂ касается плоскостей SAC и SBC в точках A и B. Найдите объем пирамиды SO₁BO₂.

3.41. В конус помещены пять равных шаров. Четыре из них лежат на основании конуса, причем каждый из этих четырех шаров касается двух других, лежащих на основании, и боковой поверхности конуса. Пятый шар касается боковой поверхности конуса и остальных четырех шаров. Найдите объем конуса, если радиусы шаров равны r.

3.42. В основании четырехугольной пирамиды SABCD лежит квадрат ABCD со стороной а. Ребро SD = h перпендикулярно к плоскости основания. Внутри пирамиды лежит цилиндр так, что окружность одного его основания вписана в треугольник SCD, а окружность другого касается грани SAB. Найдите высоту цилиндра.

3.43. В конус вписан куб так, что одно его ребро лежит на диаметре основания конуса, вершины куба, не принадлежащие этому ребру, лежат на боковой поверхности конуса, а центр куба лежит на высоте конуса. Найдите отношение объема конуса к объему куба.

3.44. В правильную усеченную треугольную пирамиду вписан шар радиусом r. Боковое ребро пирамиды равно стороне меньшего основания. Найдите объем пирамиды.

3.45. Два шара радиусом r и один шар радиусом R (R > r) лежат на плоскости, касаясь друг друга внешним образом. Найдите радиус шара, касающегося всех шаров и плоскости.

3.46. Два равных шара касаются друг друга и граней двугранного угла. Третий шар меньшего радиуса также касается граней этого двугранного угла и обоих данных шаров. Дано отношение m радиуса меньшего шара к радиусу одного из равных шаров. Найдите величину α двугранного угла. Каким должно быть m, чтобы задача имела решение?

3.47. На плоскости P стоит равносторонний конус, высота которого 10 см. Каждый из трех равных шаров, лежащих на плоскости P вне конуса, касается двух других шаров и боковой поверхности конуса. Найдите радиус шаров.

3.48. На плоскости уложены n равных конусов, имеющих общую вершину в точке, лежащей на этой плоскости. Каждый конус касается двух других конусов. Найдите угол при вершине конуса в осевом сечении.

3.49. Ребро правильного тетраэдра ABCD равно а. На ребре AB, как на диаметре, построена сфера. Найдите радиус сферы, вписанной в трехгранный угол A тетраэдра, если известно, что она касается построенной сферы и ее центр лежит на высоте тетраэдра.

3.50. Правильная пирамида, в основании которой лежит квадрат со стороной а, вращается вокруг прямой, проходящей через ее вершину и параллельной стороне основания. Вычислите объем тела вращения, если плоский угол при вершине пирамиды равен α.

3.51. Полная поверхность конуса в два раза больше поверхности вписанного в него шара. Определите отношение объема конуса к объему шара.

3.52. В основании произвольной (не обязательно прямой) призмы лежит правильный треугольник. Высота призмы равна H. Площади двух боковых граней равны S₁, а площадь третьей равна S₂. Найдите сторону основания. Исследуйте решение.

3.53. Найдите способ, позволяющий вписать в куб сразу четыре пирамиды: две треугольные и две четырехугольные — так, чтобы их суммарный объем был наибольшим.

3.54. Основанием треугольной пирамиды SABC служит правильный треугольник ABC со стороной 6. Высота пирамиды, опущенная из вершины S, равна 4, а основание этой высоты принадлежит основанию ABC, включая его границу. Около пирамиды описали шар радиусом R. Найдите наименьшее возможное значение R, удовлетворяющее условиям задачи[1].

Глава 4 Геометрические задачи на проекционном чертеже

Умение правильно построить сечение по трем точкам упрощает решение некоторых геометрических задач.

Прежде чем приступать к решению задач этой главы, разберите несколько примеров на построение сечений и теней.

Пример 1. Построить сечение куба, проходящее через точки P, Q и R, расположенные так, как показано на рис. 4.1.

Точки P и Q (и точки Q и R) можно соединить сразу, так как они лежат в одной из граней куба.

Чтобы построить прямую, по которой плоскость сечения пересечет нижнее основание куба (эта прямая называется следом), нужно знать две точки, принадлежащие этой прямой. Одна точка нам дана — это точка R. Другую точку найдем, если продолжим до пересечения отрезки DC и PQ. Это можно сделать, так как указанные отрезки лежат в одной плоскости и, как видно из рис. 4.1, не параллельны. Полученная в результате точка S будет лежать в плоскости нижнего основания, так как вся прямая DC лежит в этой плоскости.

Через точки R и S мы теперь проведем след, который оставит плоскость сечения на плоскости нижнего основания. В результате получим точку T. После того как точки T и P соединены, сечение построено.

Несколько усложним задачу.

Пример 2. Построить сечение куба, проходящее через точки P, Q и R, расположенные так, как показано на рис. 4.2.

В этом случае одной вспомогательной точки окажется недостаточно. Хотя из рис. 4.2 видно, что сечение не пересечет плоскость нижнего основания, нужно построить след плоскости сечения на нижнем основании. Точку S мы построим так же, как в примере 1, а вторую точку T найдем, продолжив отрезки RQ и AD. След ST пересечет прямую BC в точке U. Так как точки U и P лежат в плоскости сечения, то, соединив их, найдем точку V, принадлежащую сечению куба, которая позволит завершить построение.

Пример 3. Построить сечение куба, проходящее через точку R, расположенную на передней грани куба, и точки P и Q — на ребрах задней его грани (рис. 4.3).

И на этот раз нам поможет построение следа плоскости сечения на плоскости нижнего основания. Чтобы было ясно, что точка R лежит на плоскости передней грани куба, спроецируем ее на основание. Проекция прямой PR и прямая PR пересекутся в точке S, принадлежащей следу. Вторую точку U следа мы получим, продолжив до пересечения BC и PQ. След US пересечет куб по отрезку VТ. Продолжим TR до пересечения с DD₁ в точке G. Чтобы закончить построение, получим еще одну вспомогательную точку F так, как это было сделано в первом примере.

Построение теней осуществляется с помощью тех же самых приемов. При этом нужно в качестве вспомогательной точки использовать проекцию источника света на плоскость, на которую падает тень.

Построим, например, тень, отбрасываемую вертикальной спичкой AB на плоскость P (концом В спичка упирается в плоскость), если источник света расположен в точке Q, а точка Q₁ есть проекция точки Q на плоскость P (рис. 4.4, а). Проведем две прямые AQ и BQ₁, пересекающиеся в точке А₁. Отрезок А₁В и будет тенью спички AB.

Если спичка AB расположена между плоскостью P и источником света Q произвольным образом, то построение тени показано на рис. 4.4, б. Предполагается, что проекции точек А, В и Q (это точки С, D и Q₁ соответственно) на плоскость P заданы или могут быть найдены. Вместо того чтобы строить тень спички AB, мы строим тени А₁С и В₁D двух вертикальных спичек AC и ВD, а затем, соединив точки А₁ и В₁, получаем нужную тень. Проекция спички AB на плоскость P фактически задана. Это отрезок CD. Тенью, отбрасываемой этой спичкой на плоскость P, если источник света расположен в точке Q, будет отрезок А₁В₁.

Пример 4. Источник света расположен над плоскостью нижнего основания куба в точке Q на высоте, вдвое превышающей ребро куба (рис. 4.5). Построить тень, отбрасываемую кубом на плоскость его нижнего основания.

Разумеется, можно было бы построить отдельно тени, отбрасываемые каждым вертикальным ребром куба, а затем соединить соответствующие вершины. Однако здесь проще воспользоваться тем, что ребра верхнего основания куба параллельны плоскости нижнего основания. Следовательно, тенью, отбрасываемой верхним основанием куба, будет квадрат. Поскольку QQ₁ вдвое больше ребра куба, то сторона этого квадрата будет равна 2 а (докажите).

Если мы проведем в кубе линию центров оснований и построим отбрасываемую ею тень, то не составит труда вычертить тень, отбрасываемую всем верхним основанием, а затем и всем кубом (см. рис. 4.5).

4.1. Дан куб ABCDА₁В₁С₁D₁. Через вершину А, середину E ребра BC и центр O грани СС₁D₁D проходит секущая плоскость. Найдите отношение, в котором она делит объем куба.

4.2. Дан куб ABCDА₁В₁С₁D₁ с ребром, равным единице. Найдите площадь сечения куба плоскостью, проходящей через вершину А и середины F и G ребер В₁С₁ и С₁D₁.

4.3. В кубе ABCDА₁В₁С₁D₁ проведена плоскость через вершину А, центр O₁ верхнего основания А₁В₁С₁D₁ и центр Q боковой грани ВВ₁С₁С. Пусть E — точка пересечения секущей плоскости с ребром В₁С₁. Найдите отношение В₁E к ЕС₁.

4.4. Дана правильная четырехугольная пирамида SABCD. Сторона CD продолжена на расстояние MD = 2CD (MC = 3CD). Через точку M, вершину В и середину ребра SC проведена плоскость. Найдите отношение объемов частей пирамиды, полученных при пересечении ее этой плоскостью.

4.5. Дана правильная четырехугольная пирамида SABCD с вершиной S. Через точки А, D и середину ребра SC проведена плоскость. В каком отношении эта плоскость делит объем пирамиды?

4.6. Дан куб ABCDА₁В₁С₁D₁. На продолжении ребер AB, АА₁, AD отложены соответственно отрезки ВР, А₁Q, DR длины 1,5АВ. Через точки P, Q, R проведена плоскость. В каком отношении эта плоскость делит объем куба?

4.7. Площадь боковой грани правильной шестиугольной пирамиды равна Q. Вычислите площадь сечения, проходящего через середину высоты пирамиды параллельно боковой грани.

4.8. В треугольной призме ABCА₁В₁С₁ боковое ребро равно l. В основании призмы лежит правильный треугольник со стороной b, а прямая, проходящая через вершину В₁ и центр основания ABC, перпендикулярна к основаниям. Найдите площадь сечения, проходящего через ребро AB и середину ребра СС₁.

4.9. В прямоугольном параллелепипеде ABCDА₁В₁С₁D₁ (ABCD и А₁В₁С₁D₁ — основания) даны длины ребер AB = а, АD = b, АА₁ = с. Пусть точка O — центр основания ABCD, O₁ — центр основания А₁В₁С₁D₁, F — точка, делящая отрезок O₁O в отношении 1 : 3. Найдите площадь сечения данного параллелепипеда плоскостью, проходящей через точку F параллельно его диагонали АС₁ и диагонали ВD основания.

4.10. В точке E, находящейся на расстоянии 2h от плоскости основания куба с ребром h и на расстоянии R > 2h от прямой, соединяющей центры оснований куба, помещен источник света. Докажите, что тень, отбрасываемая кубом на плоскость основания, будет иметь наибольшую площадь, когда плоскость, проходящая через центр куба, точку E и одну из вершин, перпендикулярна к плоскости основания.

4.11. На плоскость Π под прямым углом к ней падает пучок параллельных лучей. Как расположить над плоскостью куб с ребром а, чтобы отбрасываемая им тень имела максимальную площадь? Найдите площадь максимальной тени.

Глава 5 Геометрические места

5.1. Найдите геометрическое место оснований перпендикуляров, опущенных из центра O круга на хорды, проходящие через данную точку N внутри круга.

5.2. На плоскости зафиксированы две различные точки А и В. Найдите геометрическое место точек M, для каждой из которых AM · ВМ · cos ∠ AMB = ¾АВ².

5.3. На плоскости зафиксированы две различные точки А и В. Докажите, что геометрическое место точек M, удовлетворяющих условию 2АМ² + МВ² = АВ², есть окружность с диаметром AC, где точка С лежит на отрезке AB, причем ^AC/_BC = 2.

5.4. Дан треугольник ABC. Найдите геометрическое место точек M, таких, что площади треугольников АМВ и NМС равны.

5.5. На плоскости даны два отрезка: AB и CD. Найдите геометрическое место точек M плоскости, для которых площади треугольников ABM и CDM равны.

5.6. Дан куб с ребром а. Найдите геометрическое место середин отрезков длины l, один из концов которых лежит на диагонали верхнего основания, а другой — на непараллельной ей диагонали нижнего основания.

Глава 6 Свойства чисел. Делимость

6.1. Докажите, что р² − 1 делится на 24, если p — простое число, большее 3.

6.2. Докажите, что n³ + 2n при любом натуральном n делится на 3.

6.3. Докажите, что число 3¹⁰⁵ + 4¹⁰⁵ делится на 49 и 181.

6.4. Сколько в числе 500! содержится множителей 2?

6.5. Делится ли число на 81?

6.6. Определите, при каких целых значениях n выражение n⁴ + 4 является простым числом.

6.7. Докажите, что является целым числом при любом четном n.

6.8. При каких целых значениях x дробь сократима?

6.9. Найдите все пятизначные числа вида (x — цифра сотен, y — цифра единиц), которые делятся на 36.

6.10. Найдите трехзначное число (а, b, с — его цифры), если четырехзначное число в три раза больше четырехзначного числа .

6.11. Найдите простое число p, если p + 2 и p + 4 — простые числа.

6.12. Докажите, что tg 5° — число иррациональное.

6.13. Найдите два последовательных натуральных числа, сумма цифр каждого из которых делится на 11.

6.14. Найдите все целочисленные решения уравнения

3x² − 16xy − 35y² + 17 = 0.

6.15. Сколько различных целочисленных пар (x, y) удовлетворяют уравнению

x² = 4y² + 20 025?

6.16. Найдите натуральные x и y, удовлетворяющие условию 113x − 69y = 11, сумма которых x + y принимает наименьшее значение.

Глава 7 Алгебраические преобразования

Следующие ниже замечания относятся не только к этой главе, они имеют более общий характер.

Множества точек x числовой оси, удовлетворяющих неравенствам

1) а < x < b;

2) а ≤ x ≤ b;

3) а ≤ x < b;

4) а < x ≤ b;

5) x > а;

6) x < а;

7) x ≥ а;

8) x ≤ а,

где а < b, называются интервалами и обозначаются соответственно (а, b); [а, b]; [а, b), (а, b]; (а, +∞); (−∞, а); [а, +∞); (−∞, а].

Интервалы 1), 5) и 6) называются открытыми; интервал 2) называется замкнутым; интервалы 3), 4), 7) и 8) называются полуоткрытыми. Иногда вместо терминов: открытый интервал, замкнутый интервал, полуоткрытый интервал используют соответственно термины: промежуток (или интервал), отрезок (или сегмент), полуотрезок.

По определению

Для арифметического корня имеет место формула

√а² = |а|.

Иногда приходится пользоваться формулами куба суммы и разности чисел в виде

(а + b)³ = а³ + b³ + 3аb(а + b);

(а − b)³ = а³ − b³ − 3аb(а − b).

Следующая формула называется формулой сложного радикала:

(все подкоренные выражения должны быть неотрицательными).

По определению

где а ≥ 0, m, n — натуральные числа и корень арифметический.

Из этого определения следует, что степени с отрицательным основанием и дробным показателем считаются не имеющими смысла. Например, не имеет смысла, в то время как .

По определению

По определению

α⁰ = 1 при а ≠ 0.

Чтобы избежать недоразумений, удобно договориться, что знак корня используется либо для обозначения арифметического корня из неотрицательного числа, либо отрицательного корня нечетной степени из отрицательного числа.

Таким образом, .

Для арифметических корней и корней нечетной степени из отрицательных чисел справедливо правило умножения и деления корней:

Правило, в силу которого показатель корня и показатель подкоренного выражения можно умножить на одно и то же натуральное число, справедливо для арифметических корней и не справедливо для корней нечетной степени из отрицательных чисел.

Замечание. В качестве показателя корня используются только натуральные числа. Иногда встречаются задачи, где показатели — достаточно сложные алгебраические выражения. Во избежание путаницы лучше знак корня в таких задачах не использовать, а прибегать к дробным показателям степени.

7.1. Упростите выражение

7.2. Упростите выражение

7.3. Упростите выражение

После упрощения выражения определите его знак в зависимости от x.

7.4. Упростите выражение

7.5. Упростите выражение

где .

7.6. Вычислите значения выражения

7.7. Преобразуйте выражение

так, чтобы оно не содержало сложных радикалов.

7.8. Разложите на линейные относительно x, у, z, u множители выражение

(xy + zu)(x² − y² + z² − u²) + (xz + yu)(x² + у² − z² − u²).

7.9. Докажите, что

7.10. Докажите, что если а + b + с = 0, то

7.11. Докажите, что при всех действительных значениях x и у имеет место равенство

7.12. Докажите, что

для любых действительных x и у, имеющих одинаковые знаки.

7.13. Докажите, что из условия

следует

(а + b + с)³ = 27аbс.

7.14. Квадратный трехчлен 24х² + 48x + 26 есть разность кубов двух линейных функций с положительными коэффициентами. Найдите эти функции.

Глава 8 Делимость многочленов. Теорема Безу. Целые уравнения

Многочлен S(x) называется частным, а многочлен R(x) — остатком от деления многочлена P(x) на многочлен Q(x), если равенство

P(x) = Q(x) · S(x) + R(x)

является тождеством и степень многочлена R(x) меньше степени многочлена Q(x).

Обобщенная теорема Виета. Для корней х₁, х₂, ..., х_n уравнения

а₀хⁿ + a₁x^{n − 1} + ... + а_{n − 1}x + а_n = 0

имеют место формулы:

^,

^,

.

Для уравнения a₀xⁿ + a₁x^{n − 1} + ... + а_n = 0 с целыми коэффициентами а₀, а₁, ... , а_n верна теорема: если уравнение имеет рациональный корень ^p/_q , то p числитель является делителем свободного члена а_n, а знаменатель q — делителем коэффициента а₀.

В частности, если а₀ = 1, то уравнение может иметь только такие целые корни, которые являются делителями свободного члена а_n.

8.1. Решите уравнение

(x − 4,5)⁴ + (x − 5,5)⁴ = 1.

8.2. Решите уравнение

(4x + 1)(12x − 1)(3x + 2)(x + 1) = 4.

8.3. Докажите, что уравнение

x² − 3у² = 17

не имеет решений в целых числах.

8.4. Найдите все целые решения уравнения

x² − 6xу + 13у² = 100.

8.5. Найдите остаток от деления многочлена x⁹⁹ + x³ + 10x + 5 на многочлен x² + 1.

8.6. Найдите все целочисленные решения уравнения

2x²у² + у² − 6x² − 12 = 0.

8.7. В уравнении

x⁴ + аx³ + bx² + 6x + 2 = 0

один из корней равен √3 + 1. Найдите остальные корни уравнения, если а и b — рациональные числа.

8.8. При каких значениях а оба корня уравнения

x² − (а + 1)x + а + 4 = 0

отрицательны?

8.9. Найдите соотношение между а, b и с, если корни уравнения

x³ + аx² + bx + с = 0

образуют геометрическую прогрессию.

8.10. Известно, что уравнение x³ + px + q = 0 имеет корни α₁, α₂, α₃. Выразите сумму α₁² + α₂² + α₃² через p и q.

8.11. При каких а и α трехчлен х³ + ax + 1 делится на двучлен x − α без остатка и частное от деления при всех x больше нуля?

8.12. Остатки от деления многочлена относительно x на x − 2 и x − 3 равны соответственно 5 и 7. Найдите остаток от деления этого многочлена на (x − 2)(x − 3).

8.13. Найдите все действительные значения p и q, при которых х⁴ + 1 делится на x² + рх + q.

8.14. Докажите, что многочлен

x²^{n + 1} − (2n + 1)х^{n + 1} + (2n + 1)хⁿ − 1,

где n — натуральное число, делится на (x − 1)³.

8.15. Определите p и q так, чтобы многочлен

6х⁴ − 7х³ + рх² + 3х + 2

делился без остатка на x² − x + q.

Глава 9 Алгебраические уравнения и системы

Равенства. Тождества. Два математических выражения, соединенных знаком =, образуют равенство.

Примеры равенств:

а² + b² = с², 3 = 3, 3 = 5,

sin² x + cos² x = 1, , sin x = 3.

Числовое равенство может быть истинным (верным) или ложным (неверным). Равенство 3 = 3 истинное, равенство 3 = 5 ложное.

Буквенное равенство при различных значениях входящих в него букв также принимает одно из двух значений: «истина» или «ложь». Например, равенство а² + b² = с² при а = 3, b = 4, с = 5 истинно, а при а = 3, b = 4, с = 6 ложно. Равенство sin² x + cos² x = 1 истинно при всех действительных значениях x, а равенство sin x = 3 всегда ложно.

Если какая-либо часть равенства (или обе части одновременно) перестает существовать, то равенство становится ложным. Равенство ложно при , где k — любое целое число, так как для четных k не существует ctg x, а для нечетных k не существует tg x. Равенство ложно при x = −1, так как его левая часть теряет смысл при этом значении x (обратите внимание, что правая часть существует всегда). Обе части равенства sin x = 3 всегда имеют смысл, однако это равенство всегда ложно.

Для любого математического выражения можно указать множество систем (наборов) значений входящих в него букв, при которых это выражение существует, т. е. принимает некоторое числовое значение. Такое множество мы будем называть областью определения (областью существования) рассматриваемого математического выражения.

Для выражения областью определения является числовая ось с «выколотой» точкой x = −1.

Для выражения log_у √x найти область определения уже несколько сложнее. Во-первых, из числа x извлекается квадратный корень. Эта операция возможна, если x ≥ 0. Чтобы затем можно было найти логарифм от √x, необходимо √x > 0. Оба условия выполняются при x > 0. В основании логарифма может стоять лишь положительное число, отличное от единицы. Таким образом, получаем область определения: x > 0, у > 0, у ≠ 1.

Два математических выражения называются тождественными, если

1) их области определения совпадают;

2) они принимают одинаковые числовые значения при подстановке в каждое выражение одного и того же набора значений входящих в него букв, произвольно выбранного из области определения.

Равенство, в котором правая и левая части являются тождественными выражениями, называется тождеством.

Для обозначения тождественного равенства иногда используется символ ≡.

Примеры тождеств: (а − b)² = а² − 2аb + b², sin² x + cos² x = 1,

Первые два тождества общеизвестны. Последнее равенство тоже является тождеством. В самом деле, область определения левой части не содержит ни одной точки, область определения правой части тоже не содержит ни одной точки. Поскольку области определения правой и левой частей — пустые множества, то требования 1) и 2) в определении тождества удовлетворяются. Равенство , как мы видели, истинно при всех x, кроме x = −1. Оно не является тождеством, так как требование 1) не удовлетворено. Однако нарушение происходит только в одной точке.

Введем понятие неабсолютного тождества.

Пусть в нашем распоряжении есть два математических выражения, имеющих разные области определения. Обозначим через U их общую часть. Если на множестве U значения обоих математических выражений совпадают, то говорят, что они неабсолютно тождественны, а соответствующее равенство называют неабсолютным тождеством.

Характерным примером неабсолютного тождества является соотношение

lg ху = lg x + lg у.

Область определения правой части: x > 0, у > 0, т. е. все точки плоскости, лежащие внутри I квадранта. Область определения левой части: x > 0, у > 0; x < 0, у < 0; это уже будут внутренние точки I и III квадрантов. Общая часть областей определения: x > 0, у > 0. На этой общей части приведенное соотношение превращается в истинное равенство.

Напомним определение тождества, которым обычно пользуются в средней школе.

Тождеством называется равенство, справедливое при всех значениях входящих в него букв, при которых обе его части имеют смысл.

Нетрудно заметить, что это определение объединяет понятия тождества и неабсолютного тождества в одно. Чтобы подчеркнуть, что мы пользуемся другим определением тождества, будем иногда вместо термина тождество употреблять термин абсолютное тождество.

Какие из следующих равенств являются абсолютными тождествами, а какие — неабсолютными? Приведите доказательство сделанного вами вывода.

1. sin² x + cos² x = 1,

2. tg x = ^{sin x}/_{cos x}

3. tg x = ¹/_{ctg x}

4. sec x = ¹/_{cos x}

5. sec x cos x = 1,

6. sec x − ¹/_{cos x} = 0,

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14. lg xy = lg |x| + lg |y|,

15. lg x² = 2 lg x,

16. lg x² = 2 lg |x|.

Уравнение, корни уравнения, равносильность. Когда мы говорим, что равенство

аx² + bx + с = 0 (1)

является уравнением относительно буквы x, то подразумеваем, что для фиксированных а, b и с (эти буквы являются параметрами уравнения) нужно отыскать значения x, обращающие (1) в истинное числовое равенство.

Другими словами, предполагают, что для букв а, b и с выбраны определенные, хотя и произвольные, значения, в то время как буква x, которой обозначено неизвестное, остается «свободной». Вместо нее можно подставлять различные числа, в результате чего возникнут либо истинные, либо ложные числовые равенства. Равенство (1) выполняет роль «формы» (или «схемы») уравнений, которая превращается в уравнение, как только мы остановим свой выбор на конкретных значениях параметров. Если выбор значений параметров уже сделан, то полученное уравнение можно рассматривать как «форму» числовых равенств — ложных или истинных.

Часто представляют себе уравнение как равенство двух функций (в частности, как равенство функции нулю), а не как форму. Такое представление недостаточно точно, так как может привести к потере корней.

Например, уравнение

x^2x = 1 (2)

имеет корни x₁ = 1 и x₂ = −1, в то время как функция x^2x определена только при положительных x.

Если же уравнение (2) мы рассматриваем как форму, порождающую числовые равенства, то при x = −1 слева получим выражение (−1)⁻², которое имеет смысл и равно 1.

Итак, уравнением относительно неизвестного x называется форма числовых равенств, которая превращается в истинное или ложное числовое равенство при подстановке вместо буквы x какого-нибудь числа, взятого из рассматриваемой области чисел. Приведем еще несколько определений.

Пусть x, у, z, ... — неизвестные в уравнении

f(x, у, z, ...) = 0. (3)

Набор значений неизвестных[3]

называется решением уравнения (3), если

f(а, b, с, ...) = 0 (3′)

является истинным числовым равенством.

Решение уравнения с одним неизвестным называют также корнем этого уравнения.

Корнем уравнения 3x² + 2x − 1 = 0 является число x = −1, решением уравнения 2у² − 3xу + x² = 0 является система чисел

Решить уравнение — значит, найти все его решения или доказать, что оно не имеет решений.

Два уравнения называются равносильными, если они имеют одно и то же множество решений. Другими словами, любое решение первого уравнения является также решением второго уравнения и, обратно, любое решение второго уравнения является также решением первого уравнения.

Вообще говоря, понятие равносильности тесно связано с определенной областью чисел. Так, уравнения x − 1 = 0 и (x − 1)(x² − 3) = 0 равносильны в области целых чисел и неравносильны в области действительных чисел.

Говорят, что второе уравнение является следствием первого, если каждый корень первого уравнения является корнем второго уравнения.

В процессе решения уравнение можно заменить любым равносильным ему уравнением. Легко убедиться в том, что замена входящего в уравнение математического выражения тождественным[4] приводит к равносильному уравнению.

Во многих случаях удобно заменить данное уравнение его следствием. В результате такой замены могут появиться посторонние корни, т. е. такие числа, которые являются корнями следствия, но не удовлетворяют исходному уравнению. Чтобы отсеять посторонние корни, следует сделать проверку всех найденных значений неизвестного.

Замена входящего в уравнение выражения неабсолютно тождественным может нарушить равносильность. В результате у уравнения могут появиться посторонние корни, а некоторые корни могут быть потеряны.

Например, применение неабсолютного тождества[5]

log x + log у = log xy

приводит к следствию, в то время как применение этого же тождества справа налево

log xy = log x + log у

может повлечь за собой потерю решений. В первом случае в результате замены log x + log у на log xy мы можем приобрести решения, лежащие в области x < 0, у < 0. Во втором случае решения из той же самой области могут быть потеряны.

При решении большинства уравнений угроза приобретения посторонних корней не должна нас пугать, так как в наших руках есть такое надежное средство, как проверка. Гораздо более опасной является перспектива потери корней.

Избежать потери корней можно, если вместо неабсолютных тождеств, сужающих область определения, пользоваться неабсолютными тождествами, расширяющими область определения уравнения.

Вернемся к рассмотренному только что примеру с суммой логарифмов. Когда при решении уравнения приходится потенцировать, то неабсолютное тождество

log x + log у = log xу

не приводит к потере корней. Если же по ходу преобразований возникла необходимость прологарифмировать произведение, то нужно воспользоваться другим неабсолютным тождеством

log xу = log |x| + log |у|,

применение которого может лишь расширить область определения уравнения.

Есть второй прием, позволяющий избежать потери решений, который мы поясним на примере уравнения: sin 2x + 7 cos 2x + 7 = 0. Воспользуемся формулами, позволяющими выразить sin 2x и cos 2x через tg x. Получим

Приведя к общему знаменателю и отбросив знаменатель, который всегда отличен от нуля, получим простое уравнение

tg x = −7,

откуда x = −arctg 7 + πk, где k — любое целое число.

Хотя все произведенные преобразования кажутся «законными», мы легко убедимся в том, что целая серия корней x = ^π/₂ + kπ потеряна. Достаточно подставить эти значения неизвестного в исходное уравнение.

Корни были потеряны в результате применения неабсолютных тождеств

левые части которых существуют всегда, а правые теряют смысл

именно при x = ^π/₂ + kπ.

Если по каким-то причинам мы не могли избежать применения неабсолютных тождеств, грозящих потерей корней, то нам не остается ничего иного, как проверить те значения неизвестного, которые оказались исключенными из области определения входящих в уравнение выражений. В нашем примере, как и в большинстве тригонометрических уравнений, это нетрудно сделать.

Наконец, отметим такой важный момент при решении уравнений, как правильное использование условий.

Уравнение

lg (1 + x) + 3 lg (1 − x) = lg (1 − x²) − 2

удобнее всего решать, преобразовав lg (1 − x²) в сумму логарифмов. Чтобы оградить себя от возможной потери корней, мы должны написать

lg (1 − x²) = lg |1 + x| + lg |1 − x|.

Однако подобная осторожность в этом примере является излишней. Поскольку в уравнение наряду с выражением lg (1 − x²) входят lg (1 + x) и lg (1 − x), то 1 + x и 1 − x должны быть положительными, чтобы левая часть уравнения имела смысл. Поэтому вместо lg |1 + x| и lg |1 − x| можно написать lg (1 + x) и lg (1 − x). Таким образом, данное уравнение принимает вид

lg (1 + x) + 3 lg (1 − x) = lg (1 + x) + lg (1 − x) − 2.

Приведя подобные члены, получим

2 lg (1 − x) = −2,

откуда x = 0,9 — единственный корень данного уравнения.

На этом примере мы видим, что правильное использование условия позволяет быстрее достичь цели, чем в случае чисто формальных преобразований.

Однако достаточно ли обоснованным было приведенное выше решение? Чтобы убедиться в этом, решите самостоятельно такое уравнение

lg (1 + x) + 3 lg (1 − x) = lg (1 − x²) + 2.

Оно отличается от предыдущего лишь знаком последнего члена. Поэтому, повторив все приведенные только что рассуждения, получим

2 lg (1 − x)= 2,

откуда x = −9. Подставив это значение x в исходное уравнение, убеждаемся в том, что нами найден посторонний корень. Произошло это потому, что уравнения

lg (1 + x) + 3 lg (1 − x) = lg (1 + x) + lg (1 − x) + 2

и

2 lg (1 − x) = 2

неравносильны. Равносильность нарушилась в результате уничтожения в правой и левой частях уравнения члена lg (1 + x), который существенно ограничивал область определения уравнения. Таким образом, проверка здесь является необходимой частью решения.

Разобранный пример нередко предлагают решать так. Найдем область определения уравнения:

Теперь будем применять к уравнению те преобразования, которые не могут привести к потере корней:

lg (1 + x) + lg (1 − x)³ = lg (1 − x²) + lg 100,

lg [(1 + x)(1 − x)³] = lg 100(1 − x²),

(1 + x)(1 − x)³ = 100(1 − x²).

Решая последнее уравнение, найдем х₁ = 1, х₂ = −1, х₃ = −9, х₄ = 11. Так как все четыре числа не попали в интервал −1 < x < 1, то исходное уравнение не имеет корней.

Для данного уравнения такой метод решения оказывается верным, так как позволяет отбросить все найденные значения x. Однако основан он на ошибочном убеждении, что в процессе преобразований могут быть приобретены лишь те посторонние корни, которые не попадают в область определения исходного уравнения.

Приведем два примера.

Вначале рассмотрим уравнение

arcsin x = ^π/₃ + arcsin ^x/₂.

Его область определения — отрезок −1 ≤ x ≤ 1. Возьмем синусы от правой и левой частей уравнения, в результате чего получим следствие

sin (arcsin x) = sin (^π/₃ + arcsin ^x/₂), т. е.

Решая последнее уравнение, получим х₁ = −1, х₂ = 1. Оба значения x принадлежат области определения исходного уравнения, однако х₂ = −1 — посторонний корень, в чем легко убедиться проверкой.

Решим теперь в области действительных чисел уравнение

Областью определения этого уравнения является вся числовая ось. Возведем данное уравнение в куб:

В последнее уравнение входит выражение являющееся левой частью данного уравнения. Заменяем его правой частью этого уравнения. Получим

Возведя в куб, получим

(x + 1)(3x + 1)(x − 1) = −(x + 1)³,

откуда x₁ = −1, x₂ = 0.

Проверка убеждает нас в том, что корень x₂ = 0 является посторонним. Он появился в результате замены левой части данного уравнения на не равную ей тождественно правую часть.

Приведенные примеры свидетельствуют о том, что нахождение области определения уравнения (или, как иногда говорят, области допустимых значений — ОДЗ) не гарантирует нас от появления посторонних корней, т. е. не избавляет от необходимости делать проверку полученных в результате решения корней.

Это не означает, что находить область определения всегда бессмысленно. Можно привести много примеров, когда знание области определения существенно упрощает решение.

Что же касается проверки, то она оказывается излишней только в тех случаях, когда исследована эквивалентность применявшихся в процессе решения преобразований.

Для этого необходимо выяснить, при каких преобразованиях мы получаем следствие данного уравнения, а в каких случаях нам грозит потеря корней.

Посмотрим на примере, как исследуется равносильность двух уравнений. Имеет место следующая теорема.

Теорема 1. Если в уравнении произвести уничтожение двух подобным членов, то получится следствие данного уравнения.

Другими словами, если уравнение

f(x) + φ(x) − φ(x) = 0 (4)

заменить уравнением

f(x) = 0, (5)

то потери корней не произойдет, а приобретение корней может произойти.

Сначала докажем, что не произойдет потери корней, т. е. что любой корень x = с уравнения (4) является корнем уравнения (5). Если x = с — корень уравнения (4), то

f(с) + φ(c) − φ(c) = 0 (4′)

— истинное числовое равенство, где f(с) и φ(с) — числа. Оно не нарушится в результате прибавления и последующего вычитания числа φ(c).

Таким образом,

f(с) = 0 (5′)

— истинное числовое равенство, т. е. x = с является также и корнем уравнения (5).

Остается убедиться в том, что уравнение (5) может иметь корни, посторонние для уравнения (4). Чтобы доказать это, достаточно привести пример. Уравнение

cos x + tg x − tg x = 0 (4′′)

после уничтожения подобных членов принимает вид

cos x = 0. (5′′)

Корнями уравнения (5′′) будут числа x = ^π/₂ + kπ. Но ни одно из них не удовлетворяет уравнению (4′′), так как tg x перестает существовать, когда cos x = 0.

Итак, теорема доказана.

Несколько уравнений могут образовать систему или совокупность.

Говорят о системе уравнений, если требуется найти все решения, общие для всех уравнений, входящих в систему.

Если же нужно найти все такие решения, которые удовлетворяют хотя бы одному из нескольких уравнений, то говорят, что эти уравнения образуют совокупность.

Систему уравнений обычно записывают в столбик и ставят сбоку фигурную скобку — знак системы; совокупность уравнений, как правило, записывается в строку. Если же совокупность уравнений удобнее записать в столбик, то слева ставят квадратную скобку — знак совокупности.

Если мы рассмотрим совокупность двух уравнений:

x² − x − 2 = 0 и x² − 2x − 3 = 0,

то корни первого: x₁ = 2, x₂ = −1 нужно объединить с корнями второго: x₁ = 3, x₂ = −1. Получим решение совокупности:

x₁ = 2, x₂ = −1, x₃ = 3.

Если же мы рассмотрим систему

то из корней первого уравнения нужно выбрать те, которые удовлетворяют и второму уравнению системы. Получим только одно решение системы: x = −1.

Уравнение

f(x) · φ(x) = 0 (6)

называется распадающимся.

Теорема 2. Уравнение (6) равносильно совокупности двух систем:

(7)

Доказательство. Если x = а — корень уравнения (6), то f(а) и φ(а) существуют и либо f(а) = 0, либо φ(а) = 0 (случай, когда оба сомножителя одновременно равны нулю нами из рассмотрения не исключен). Следовательно, одна из систем (7) удовлетворяется при x = а.

Пусть теперь x = а — корень совокупности (7). Если при x = а удовлетворяется либо первая, либо вторая система, то и в том и в другом случае f(x) · φ(x) = 0, т. е. x = а — корень уравнения (6).

Докажите следующие теоремы о равносильности уравнений.

17. Если к обеим частям уравнения

f(x) = φ(x)

прибавить выражение ψ(x), то в случае, когда ψ(x) имеет смысл при всяком x, получится равносильное уравнение, в противном случае могут быть потеряны корни.

18. Уравнения

f(x) + ψ(x) − ψ(x) = φ(x)

и

f(x) = φ(x)

в случае, когда ψ(x) имеет смысл при всяком x, равносильны; в противном случае второе уравнение является следствием первого.

19. Если в уравнении

(8)

отбросить знаменатель, то получится уравнение

f(x) = ψ(x),

являющееся следствием данного уравнения.

19а. Уравнение (8) равносильно системе

(8а)

20. Если обе части уравнения f(x) = φ(x) возвести в квадрат, то полученное уравнение

[f(x)]² = [φ(x)]² (9)

является следствием данного уравнения. Уравнение (9) равносильно совокупности двух уравнений:

f(x) = φ(x), f(x) = −φ(x).

21. Чему равносильна система

22. Докажите, что следствием уравнения

является уравнение

при условии, что

Найдите действительные корни уравнений:

9.1. |x| − 2|x + 1| + 3|x + 2| = 0.

9.2. |x² − 9| + |x² − 4| = 5.

9.3.

9.4.

9.5.

9.6.

9.7. а и b — действительные числа.

9.8. а — действительное число.

9.9. а — действительное число.

9.10. Найдите действительные решения уравнения

|x² − 3 · ^x/₂ − 1| = −x² − 4x + β

и определите, при каких значениях β оно имеет единственное[6] действительное решение.

9.11. Решите систему

9.12. Найдите все действительные значения k, при которых решение системы

удовлетворяет условию: x > ¹/_k, у > 0.

9.13. В области действительных чисел решите систему

9.14. При каких значениях а система

имеет действительные решения? Найдите эти решения.

Решите системы:

9.15.

9.16.

9.17.

9.18.

9.19. Числа x, у и z удовлетворяют системе уравнений

где а, b, с не равны друг другу. Найдите x³ + у³ + z³.

Решите системы:

9.20.

9.21.

9.22.

9.23.

9.24. Найдите все действительные решения системы

9.25. Найдите одно решение системы

Решите системы в области действительных чисел:

9.26.

9.27.

9.28.

9.29. если а > b > 0 и а + b < 1.

9.30. Найдите все значения а и b, при которых система

имеет единственное решение (а, b, x, у — действительные числа).

9.31. Найдите все значения а, при которых система

имеет хотя бы одно решение и всякое ее решение удовлетворяет уравнению x + у = 0 (а, x, у — действительные числа).

9.32. Найдите все значения а, при которых система

имеет хотя бы одно решение для любого значения b (а, b, x, у — действительные числа).

9.33. Найдите все значения а и b, при которых система уравнений

имеет единственное решение (x, у, а, b — действительные числа, x > 0).

9.34. Решите систему

в области действительных чисел.

9.35. Решите уравнение

|6 − |x − 3| − |x + 1|| − аx − 5а = 4

при всех действительных значениях параметра а.

9.36. При всех действительных а решите уравнение

9.37. Решите уравнение

9.38. Решите систему уравнений

Глава 10 Алгебраические неравенства

О доказательстве неравенств. Доказать неравенство можно следующими способами, которые мы продемонстрируем на примере неравенства

1. От противного. Предположим противное:

Тогда

что невозможно.

2. По определению неравенства. Составим разность левой и правой частей и определим ее знак:

3. Вывести из ранее доказанного или очевидного неравенства. Мы знаем, что

откуда

Обратите внимание, что следующее «доказательство» неравенства является логически некорректным.

Если и, следовательно,

что очевидно.

Некорректность приведенных рассуждений состоит в том, что в качестве исходного пункта взято доказываемое неравенство. Таким образом установлено, что если то (√а − √b)² ≥ 0. Однако верное следствие может быть получено из ложной посылки. Если те же рассуждения провести в обратном порядке, то мы получим корректное доказательство, аналогичное тому, которое приведено выше под номером 3).

Решение неравенств. Система, совокупность. Решить неравенство — значит, найти все системы значений входящих в него неизвестных, при которых неравенство истинно, или доказать, что таких систем значений нет.

Если два или несколько неравенств должны удовлетворяться одновременно, то говорят, что они образуют систему.

Если достаточно, чтобы удовлетворялось одно из двух или нескольких неравенств, то говорят, что эти неравенства образуют совокупность.

Неравенства, образующие систему, записывают одно под другим, а сбоку ставят фигурную скобку — знак системы.

Например,

Решение этой системы показано на рис. 10.1 двойной штриховкой. Эта же система неравенств может быть записана так: 3 < x < 7.

Совокупность неравенств записывают либо в строку, либо в столбец и ставят слева квадратную скобку. Это позволяет не путать совокупность неравенств с системой. Запись

означает, что число x должно лежать на любом из заштрихованных на рис. 10.2 интервалов.

Решить систему, состоящую из нескольких совокупностей неравенств, — значит, найти все значения неизвестного, удовлетворяющие всем входящим в систему совокупностям.

Пример 1. Решить систему совокупностей неравенств

Решение первой совокупности изображено на рис. 10.3 с помощью двух прямоугольников (левая сторона одного из них бесконечно отодвинута влево), расположенных над точками, удовлетворяющими этой совокупности. Аналогично на этом же рисунке изображены решения второй и третьей совокупностей.

Чтобы избежать путаницы, мы для разных совокупностей строим прямоугольники различной высоты. Особо внимательно нужно следить за концами интервалов: если неравенство строгое, то будем рисовать в конце интервала светлый кружок, а если нестрогое, то — черный кружок. Специально разберите случаи, когда одна и та же точка оказывается и светлой, и темной — для системы и совокупности неравенств.

Точки числовой оси, над которыми расположены три прямоугольника разной высоты (см. рис. 10.3), дают решение системы: 1,5 < x ≤ 2.

1. Что произойдет с совокупностью неравенств, если к ней добавить неравенство, не имеющее решений?

2. Что произойдет с системой неравенств, если к ней добавить неравенство, не имеющее решений?

3. Решите систему двух совокупностей неравенств

Метод интервалов. Рассмотрим неравенства типа

(1)

Начнем предварительно с неравенства (x − 2)(x − 3) > 0. Его нередко решают следующим образом. Произведение двух множителей положительно тогда и только тогда, когда оба множителя одного знака, т. е. данное неравенство равносильно совокупности двух систем

Чтобы убедиться в нерациональности такого способа решения, достаточно применить его к решению неравенства, левая часть которого содержит, например, десять множителей

(x − 1)(x − 2)...(x − 10) > 0. (2)

Несложный подсчет показывает, что в этом случае пришлось бы рассматривать совокупность, состоящую из 512 систем по 10 неравенств в каждой системе.

Решим неравенство (2) с помощью более рационального приема, называемого методом интервалов. Отметим на числовой оси все корни многочлена, стоящего в левой части неравенства (рис. 10.4). Когда x расположен правее самого большого корня (x > 10), многочлен будет положительным, так как каждый множитель положителен. Если двигаться по оси в отрицательном направлении, то при переходе через точку x = 10 множитель x − 10 поменяет знак. В произведении появится один отрицательный множитель, а девять останутся положительными, в результате чего многочлен поменяет знак, так как появится дополнительный отрицательный множитель. Далее перемена знака произведения произойдет при переходе через каждую из обозначенных на рис. 10.4 точек. (Области, где многочлен положителен, отмечены на рис. 10.4 дугой сверху, а области, где он отрицателен, — дугой снизу.) Теперь легко записать решение неравенства (2):

x < 1, 2 < x < 3, 4 < x < 5, 6 < x < 7, 8 < x < 9, x > 10.

Приемы, позволяющие решать более сложные неравенства типа (1), станут понятны, если вы разберете примеры 2 и 3 и следующие за ними упражнения.

Пример 2. Решить неравенство (x + 3)(2x + 2)(x − 4)²(5 − x) > 0.

Перепишем неравенство в виде

(x + 3)(x + 1)(x − 4)²(x − 5) < 0,

где в каждой скобке стоит двучлен с коэффициентом 1 при x. Множитель (x − 4)² всегда неотрицателен и только в точке x = 4 обращается в нуль. Поэтому его влияние на решение неравенства

ограничивается тем, что он исключает точку x = 4 (рис. 10.5). Остается проследить чередование знаков в неравенстве

(x + 3)(x + 1)(x − 5) < 0.

Ответ. x < −3, −1 < x < 4, 4 < x < 5.

Пример 3. Решить неравенство

(3)

Данное неравенство не удовлетворяется в тех точках, где множители, стоящие в знаменателе, обращаются в нуль (x = 4, x = 2). Поэтому исключим эти точки из дальнейшего рассмотрения, обозначив их на рис. 10.6 светлыми кружками.

В точках же, в которых обращается в нуль числитель (x = −3, x = −1, x = 5), неравенство превращается в равенство, т. е. эти точки должны войти в решение неравенства (3). Отметим их на рисунке черными кружками[8]).

Множители (x + 3)² и (x − 4)², не меняющие знака на всей числовой оси, можно опустить, так как их влияние уже учтено. Во всех остальных точках неравенство (3) равносильно такому:

(x + 1)(x − 5)(x − 2) < 0.

Ответ. x ≤ −1, 2 < x < 4, 4 < x ≤ 5.

Решите неравенства:

4. (5 − 2х)(3 − x)³(x − 4)² < 0.

5.

Иррациональные неравенства. Решая уравнения, мы можем получать следствия данного уравнения и закончить решение проверкой, которая отсеивает посторонние корни. При решении же неравенств обычно получаются целые интервалы решений, что сильно усложняет проверку. Поэтому неравенства преобразовывают так, чтобы не нарушалась равносильность.

Начнем с иррациональных неравенств.

Пример 4. Решить неравенство

(4)

Нередко предлагают такое «решение»:

x² − 55х + 250 < (x − 14)²,

−55х + 250 < −28х + 196,

x > 2,

которое обосновывают следующим образом: «Левая часть меньше правой, но неотрицательна, так как мы имеем дело с арифметическим корнем. Следовательно, обе части данного неравенства неотрицательны, и его можно возвести в квадрат, не нарушая равносильности неравенства».

Чтобы убедиться, что неравенство решено неверно, подставим в данное неравенство, например, x = 10.

Проанализируем ход приведенных здесь рассуждений. Они доказывают, что если неравенство (4) удовлетворяется при некоторых x, то обе части его можно возвести в квадрат, и тогда x > 2. Однако отсюда не следует обратное, что исходное неравенство удовлетворяется при всех x > 2.

Присутствие в неравенстве (4) квадратного корня накладывало на неизвестное определенные ограничения, которые оказались разрушенными после возведения неравенства (4) в квадрат.

Трехчлен x² − 55х + 250 вначале стоял под знаком квадратного корня, а потому должен был быть неотрицательным. После возведения неравенства (4) в квадрат это ограничение исчезло; теперь ничто не мешает трехчлену стать отрицательным. Даже наоборот, в этом случае неравенство x² − 55х + 250 < (x − 14)² удовлетворяется наверняка, так как справа стоит величина, которая не может стать меньше нуля.

Чтобы подкоренное выражение оставалось неотрицательным, мы должны добавить к полученному после возведения в квадрат неравенству требование x² − 55x + 250 ≥ 0, т. е. x ≤ 5, x ≥ 50. Из полупрямой x > 2 оказались выделенными две ее части: 2 < x ≤ 5, x ≥ 50.

Но и теперь еще не все. Достаточно подставить в исходное неравенство значение x = 4, и мы убедимся, что оно не удовлетворяется. Дело в том, что при возведении в квадрат мы устранили еще одно ограничение, которое присутствовало в неравенстве (4). В левой части первоначального неравенства стоит квадратный корень, т. е. неотрицательное число. Чтобы это неравенство удовлетворялось, правая его часть x − 14 должна быть больше нуля. Итак, надо добавить ограничение x − 14 > 0, которое присутствовало в исходном неравенстве и оказалось разрушенным после возведения в квадрат.

Таким образом, после возведения данного неравенства в квадрат, мы должны позаботиться о сохранении всех ограничений, которые присутствуют в данном неравенстве. Неравенство (4) нужно было заменить системой

решая которую мы нашли бы, что

т. е. x ≥ 50.

В каждом из неравенств 6—9 освободитесь от иррациональности, не нарушая равносильности:

6.

7.

8.

9.

Показательные и логарифмические неравенства. При решении показательных и логарифмических неравенств пользуются следующими свойствами:

1. Неравенство f(x)^φ(x) > 1, где f(x) > 0, равносильно совокупности двух систем неравенств:

или системе неравенств

1а. Неравенство f(x)^φ(x) < 1, где f(x) > 0, равносильно совокупности двух систем неравенств:

или системе неравенств

2. Неравенство log_f(x)φ(x) > 0 равносильно совокупности двух систем неравенств:

или системе неравенств

2а. Неравенство log_f(x)φ(x) < 0 равносильно совокупности двух систем неравенств:

или системе неравенств

Решения неравенств f(x)^φ(x) < 1 и f(x)^φ(x) > 1 в предположении, что допускаются отрицательные значения f(x), разобраны в задачах 10.29, 10.30, 10.32.

Запомнить эти свойства можно следующим образом: степень больше единицы, если основание и показатель степени одинаково расположены по отношению к единице и нулю соответственно (т. е. основание правее единицы и показатель правее нуля или основание левее единицы и показатель левее нуля); логарифм больше нуля, если основание и логарифмируемое выражение одинаково расположены по отношению к единице. Если расположение элементов, о которых шла речь, неодинаково, то степень меньше единицы, а логарифм меньше нуля.

10.1. Докажите, что если а + b = 2, где а и b — действительные числа, то а⁴ + b⁴ ≥ 2.

10.2. Докажите, что

(1 + a₁)(1 + а₂)...(1 + а_n) ≥ 2ⁿ,

если а₁, а₂, ..., а_n, а_n — положительные числа и а₁а₂...а_n = 1.

10.3. Дано а + b = с, где а, b, с — положительные числа. Докажите, что

а^⅔ + b^⅔ > с^⅔ .

10.4. Докажите, что −x³ + x² ≤ ¼, если 0 ≤ x ≤ 1.

10.5. Докажите неравенство

при условии, что а + b + с = 1, а подкоренные выражения неотрицательны.

10.6. Докажите неравенство

(а + b)ⁿ < 2ⁿ(аⁿ + bⁿ),

если а > 0, b > 0, n — натуральное число.

10.7. Докажите, что при а > b > 0 и p > q где а, b и с — положительные и не равные друг другу числа, не пользуясь неравенствами между средним арифметическим и средним геометрическим трех чисел.

10.8. Докажите, что при n > 1.

10.9. Докажите неравенство

^a/_b + ^b/_c + ^c/_a > 3

где а, b и с — положительные и не равные друг другу числа, не пользуясь неравенствами между средним арифметическим и средним геометрическим трех чисел.

10.10. Докажите, что

а² + b² + с² ≥ 4S√3,

где а, b, с — стороны, а S — площадь некоторого треугольника.

10.11. Докажите, что

(x − 1)(x − 3)(x − 4)(x − 6) + 10 ≥ 1

при всех действительных значениях x.

10.12. Докажите, что если действительные числа x, у, z, не равные нулю, удовлетворяют равенствам:

x + у + z = xуz и x² = уz,

то

x² ≥ 3.

10.13. Докажите, что если x, у, z — действительные числа, удовлетворяющие равенствам

x + у + z = 5, уz + zx + xу = 8,

то

1 ≤ x ≤ ⁷/₃, 1 ≤ y ≤ ⁷/₃, 1 ≤ x ≤ ⁷/₃. [9]

10.14. Решите неравенство

аx² + x + 1 > 0,

где а ≠ 0 — произвольное действительное число.

10.15. Найдите все действительные значения m, при которых квадратный трехчлен x² + mx + (m² + 6m) будет отрицателен при всех значениях x, удовлетворяющих неравенству 1 < x < 2.

10.16. Найдите все действительные значения а, при которых корни многочлена x² + x + а будут действительными и оба корня будут больше а.

10.17. При каких значениях к корни многочлена

k²x² + kx − 2

будут действительными и один корень по абсолютной величине будет больше 1, а другой по абсолютной величине будет меньше 1?

10.18. Найдите все действительные значения m, для которых неравенство

тx² − 4x + 3m + 1 > 0

удовлетворяется при всех положительных значениях x.

Решите неравенства:

10.19. |x² − 2x − 3| < 3x − 3.

10.20. |x − 3| > |x + 2|.

10.21.

10.22.

10.23.

10.24.

10.25.

10.26.

10.27. 4^x ≤ 3 · 2^√x + x + 4^√x+1.

10.28. 4x² + 3^{√x +1} + x · 3^√x < 2x² · 3^√x + 2x + 6.

10.29[10].

Решите неравенства:

10.30. (4x² + 12x + 10)^{|x³ − 5x + 2|} ≥ (4x² + 12x + 10)^{x − 2}.

10.31. x^{log_аx +1} > а²x.

10.32[11].

10.33.

10.34.

10.35.

10.36. log₂ (2^x − 1) log_½ (2^{x + 1} − 2) > −2.

10.37. log_{|x + 6|} 2 · log₂(x² − x − 2) ≥ 1.

10.38.

10.39. log_kxx + log_x(kx²) > 0, где 0 < k < 1.

10.40. log_x[log₂(4^x − 6)] ≤ 1.

10.41.

10.42.

10.43. |√2 |x| − 1| · 1ох₂ (2 − 2x²) > 1.

10.44.

10.45. log_{x² − 1} (3x − 1) < log_{x² − 1} x².

10.46.

10.47. При каких значениях у верно следующее утверждение: «Существует хотя бы одно значение x, при котором удовлетворяется неравенство

2 log_0,5 y² − 3 + 2x log_0,5 y² − x² > 0»?

10.48. При каких значениях а из неравенства

x² − а(1 + а²)x + а⁴ < 0

следует неравенство

x² + 4x + 3 < 0?

10.49. Для каждого действительного а решите неравенство

10.50. Решите неравенство

(x² + 8x + 15)2^{2 + x} > x² + 7x + 10.

10.51. Определите, какие из чисел −4, −1, 1, 4 являются решениями неравенства

|0,5 − lg 5|x ≤ 0,5 − lg 5.

10.52. Решите неравенство

(√5 − 2)^{x − 6} ≤ (√5 + 2)^√x.

10.53. Решите неравенство

Глава 11 Логарифмические и показательные уравнения и системы

Если а^р, где а и p — действительные числа, существует, то

|a| = |а|^p (1)

По определению log_а N есть число, удовлетворяющее равенству

где а > 0 и а ≠ 1.

Формулы

(2)

называются формулами потенцирования. Первые две являются неабсолютными тождествами (см. введение к главе 9); при четных n и третья формула оказывается неабсолютным тождеством. Применение этих формул при решении уравнений (под применением формулы мы понимаем замену в уравнении выражения, стоящего в ее левой части, на выражение, стоящее справа) может привести только к приобретению посторонних решений.

Формулы (2), прочитанные справа налево, называются формулами логарифмирования. Чтобы формулы логарифмирования не приводили к потере решений, ими пользуются в виде

log_а хy = log_а |x| + log_а |y|;

log_а ^x/_y = log_а |x| − log_а |y|;

log_а x^2k = 2k log_а |x| (k — целое, k ≠ 0).

Следующие формулы позволяют переходить от логарифма с одним основанием к логарифму с другим основанием:

Если в третьей из этих формул n = 2k, то в правой части нужно писать вместо основания а основание |а|.

Формула

(3)

является неабсолютным тождеством, так как ее правая часть перестает существовать при f(x) = 1, в то время как левая часть при соответствующих значениях x может существовать и обращаться в нуль.

Таким образом, применение формулы (3) может привести к потере решений, при которых f(x) = 1.

При решении уравнений вида

φ(x)^f(x) = φ(x)^g(x) (4)

нужно воспользоваться условием равенства показателей: если φ(x) ≠ −1, 0, +1, то следствием уравнения (4) является уравнение

f(x) = g(x). (5)

Пусть x = а — корень уравнения (4). Тогда

φ(а)^f(а) = φ(а)^g(а).

В силу (1) можно записать, что

|φ(а)|^f(а) = |φ(а)|^g(а).

Так как |φ(x)| ≠ 0, 1 и |φ(x)| > 0, то по свойству показательной функции имеем

f(а) = g(а),

т. е. x = а — корень уравнения (5).

Случаи, когда φ(x) равно −1, 0 или 1, нужно рассмотреть отдельно.

Решая уравнение (4), следует иметь в виду, что выражения вида ⁰/₀ и 0⁰ не имеют смысла.

11.1. Найдите log₅ 6, если lg 2 = а, lg 3 = b.

11.2. Найдите lg 122,5, если lg 5 = а, lg 7 = b.

11.3. Решите уравнение

11.4. Для каждого действительного числа а решите уравнение

9^{−|x − 2|} − 4 · 3^{−|x − 2|} − a = 0.

11.5. Для каждого действительного числа а решите уравнение

144^|x| − 2 · 12^|x| + а = 0.

Решите уравнения:

11.6.

11.7.

11.8.

11.9.

11.10. log₃(3^x − 1) log₃ (3^{x + 1} − 3) = 6.

11.11.

11.12.

11.13.

11.14.

11.15. log_0,5xx² − 14 log_16xx³ + 40 log_4x√x = 0.

11.16.

11.17.

11.18.

11.19. где а > 0, а ≠ 1.

11.20. Найдите неотрицательные решения системы уравнений

Решите системы уравнений:

11.21.

11.22.

11.23.

11.24.

11.25.

11.26.

11.27.

11.28.

11.29.

11.30.

Глава 12 Тригонометрические преобразования

Основные тригонометрические формулы.

1. Зависимости между тригонометрическими функциями:

2. Тригонометрические функции суммы и разности аргументов:

sin (x ± у) = sin x cos у ± sin у cos x,

cos (x ± у) = cos x cos у ± sin x sin у,

3. Функции двойного и тройного аргумента:

sin 3х = 3 sin x − 4 sin³ x, cos 3х = 4 cos³ x − 3 cos x.

4. Формулы понижения степени для синуса и косинуса:

5. Функции половинного аргумента:

6. Преобразование суммы функций в произведение:

7. Преобразование произведения функций в сумму:

sin x cos y = ½[sin (x − y) + sin (x + y)],

cos x cos y = ½[cos (x − y) + cos (x + y)],

sin x sin y = ½[cos (x − y) − cos (x + y)].

Все формулы нужно уметь читать не только «слева направо», но и «справа налево». Так, например, в записи sin ^π/₄ cos x − cos ^π/₄ sin x нужно узнавать sin (^π/₄ − x), а не принимать ошибочно за sin (x − ^π/₄), а в записи узнавать ctg ^x/₂.

Проверьте себя и напишите, чему равно выражение Если вы убеждены в том, что это выражение равно тангенсу половинного угла, обратите внимание на то обстоятельство, что выражение, о котором идет речь, неотрицательно, а тангенс половинного угла — знакопеременная функция. Таким образом,

и не следует писать в этом случае ±tg x. То же самое рассуждение можно провести для любой из приведенных выше формул, где перед корнем стоит ±. Мы ставим ±, чтобы «примирить» выражение, стоящее в левой части, которое может быть отрицательным, с неотрицательным корнем. Поставив ±, мы не получаем двузначную функцию; этот символ говорит лишь о том, что для каждого фиксированного x мы обязаны выбрать определенный знак, в зависимости от того, в какой четверти тригонометрического круга оказывается угол, стоящий под знаком функции в левой части формулы.

12.1. Упростите выражение

12.2. Докажите тождество

tg 2α tg (30° − α) + tg 2α tg (60° − α) + tg (60° − α) tg (30° − α) = 1.

12.3. Докажите тождество

12.4. Докажите, что tg (α + β) = 2 tg α, если

sin α cos (α + β) = sin β и α + β ≠ ^π/₂(2n + 1), α ≠ ^π/₂(2n + 1), .

12.5. Вычислите без таблиц

cos ^π/₇ cos ^2π/₇ cos ^4π/₇.

12.6. Вычислите без таблиц

tg ^π/₇ tg ^2π/₇ tg ^3π/₇.

12.7. Докажите, что если и то при аВ + bA ≠ 0

12.8. Докажите, что если |sin x| = |k sin у|, где −1 ≤ k ≤ 1, то произведение sin (x + у) sin (x − у) неположительно.

12.9. Докажите, что если sin α + sin β = а, cos α + cos β = b, то

12.10. Дано

2 tg² α tg² β tg² γ + tg² α tg² β + tg² β tg² γ + tg² γ tg² α = 1.

Вычислите sin² α + sin² β + sin² γ.

12.11. Углы α, β, γ образуют арифметическую прогрессию с разностью ^π/₃ . Вычислите

А = tg α tg β + tg β tg γ + tg α tg γ.

12.12. Сумма трех положительных чисел α, β и γ равна ^π/₂. Вычислите произведение ctg α ctg γ, если известно, что ctg α, ctg β и ctg γ образуют арифметическую прогрессию.

12.13. Вычислите без калькулятора и без таблиц

sin 106° + cos 106° ctg 8°.

Глава 13 Тригонометрические уравнения и системы

Простейшие тригонометрические уравнения.

sin x = а, x = nπ + (−1)ⁿ arcsin а, |а| ≤ 1,

cos x = а, x = 2nπ ± arccos а, |а| ≤ 1,

tg x = а, x = nπ + arctg а,

ctg x = а, x = nπ + arcctg а.

Во всех формулах n — произвольное целое число, т. е. n = 0; ±1; ±2; ±3; ... .

Решения уравнения sin x = а часто удобно записывать в виде двух серий корней:

x = 2nπ + αrсsin а, x = π(2n + 1) − arcsin а.

Хотя приведенные формулы для решений уравнений sin x = а и cos x = а верны при всех значениях а, удовлетворяющих указанным справа ограничениям, при некоторых а эти формулы дают неудобный ответ.

Так, например, если к уравнению sin x = 1 применить общую формулу, то получим

x = nπ + (−1)^{n π}/₂.

При n = 2k получим x = 2kπ + ^π/₂, а при n = 2k + 1 получим x = 2kπ + π − ^π/₂ = 2kπ + ^π/₂. При четном и нечетном n мы пришли к одинаковому ответу. Но этот же ответ можно получить гораздо проще, если не пользоваться общей формулой. Достаточно заметить, что sin x = 1 тогда и только тогда, когда подвижный радиус вертикален и направлен вверх.

Поэтому целесообразно помнить решения уравнений:

sin x = 0, x = nπ; sin x = 1, x = ^π/₂ + 2nπ; sin x = −1, x = − ^π/₂ + 2nπ;

cos x = 0, x = ^π/₂ + nπ; cos x = 1, x = 2nπ; cos x = −1, x = (2n + 1)π;

tg x = 0, x = nπ; ctg x = 0, x = ^π/₂ + nπ.

При решении уравнений удобно пользоваться теоремами: уравнение cos x = cos у равносильно совокупности уравнений x + у = 2kπ, x − у = 2lπ; уравнение sin x = sin у равносильно совокупности уравнений x + у = (2k + 1)π, x − у = 2lπ. Обратите внимание на то обстоятельство, что в разных уравнениях, входящих в совокупность, вообще говоря, используют разные буквы для обозначения произвольного целого числа. Это следует из того, что уравнения для x + у и для x − у решаются независимо одно от другого. Переход от уравнения tg x = tg у к уравнению x − у = πk может привести к приобретению посторонних решений, если tg x и tg у перестают существовать.

Однородные уравнения. Уравнение вида

а₀ sin^k x + а₁ sin^{k − 1} x cos x + ...

... + а_{k − 1} sin x cos^{k − 1} x + а_k cos^k x = 0 (1)

называется однородным, так как все слагаемые его левой части имеют одинаковую степень относительно sin x и cos x.

При α₀ ≠ 0 среди решений уравнения (1) не содержится значений x, при которых cos x = 0. В самом деле, полагая cos x = 0, мы получаем из уравнения (1): а₀ sin^k x = 0, откуда sin^k x = 0, так как а₀ ≠ 0 по условию. Но это невозможно, поскольку нет таких значений x, при которых sin x и cos x одновременно обращаются в нуль.

Аналогично при а_к ≠ 0 среди решений уравнения (1) не содержится значений x, при которых sin x = 0.

Наметим пути решения уравнения (1). Рассмотрим два случая.

Случай 1. a₀ ≠ 0 и а_k ≠ 0. В этом случае, разделив уравнение (1) на cos^k x, мы получим (поскольку cos x ≠ 0) равносильное ему алгебраическое уравнение

а₀у^к + а₁у^{k − 1} + ... + а_{k − 1}у + а_k = 0 (2)

относительно у = tg x.

Можно также делить уравнение (1) на sin^k x. Тогда (поскольку sin x ≠ 0) мы получим равносильное уравнению (1) алгебраическое уравнение

а₀ + а₁z + ... + а_{k − 1}z^{k − 1} + а_kz^k = 0 (3)

относительно z = ctg x.

Пример 1. Решить уравнение

sin³ x − 2 sin² x cos x − sin x cos² x + 2 cos³ x = 0. (4)

Разделив его на cos³ x, получим алгебраическое уравнение

у³ − 2у² − у + 2 = 0,

где у = tg x. Последнее уравнение легко решается путем разложения его левой части на множители, и мы находим корни:

у₁ = −1, у₂ = 1, у₃ = 2.

Теперь остается решить совокупность уравнений

tg x = −1, tg x = 1, tg x = 2.

Мы получим следующие корни уравнения (1):

x = nπ ± ^π/₄ , x = nπ + arctg 2.

Случай 2. a₀ = 0, или a_k = 0, или а₀ = a_k = 0. Пусть, например, a₀ = a_k = 0, а a₁ ≠ 0 и a_{k − 1} ≠ 0. Тогда уравнение (1) примет вид

a₁ sin^{k − 1} x cos x + a₂ sin^{k − 2} x cos² x + ...

... + a_{k − 2} sin² x cos^{k − 2} x + a_{k − 1} sin x cos^{k − 1} x = 0. (5)

В левой части уравнения выносим за скобки все, что возможно (в случае уравнения (5) мы можем вынести за скобки произведение sin x cos x). В результате получим уравнение

sin x cos x (a₁ sin^{k − 1} x + a₂ sin^{k − 2} x cos x + ...

... + a_{k − 2} sin x cos^{k − 2} x + a_{k − 1} cos^{k − 1} x) = 0,

распадающееся на совокупность уравнений

sin 2х = 0,

a₁ sin^{k − 1} x + a₂ sin^{k − 2} x cos x + ...

... + a_{k − 2} sin x cos^{k − 2} x + a_{k − 1} cos^{k − 1} x = 0,

первое из которых решается просто (см. с. 77), а пути решения второго уравнения показаны в случае 1).

Пример 2. Решить уравнение

sin⁴ x cos x − 2 sin³ x cos² x − sin² x cos³ x + 2 sin x cos⁴ x = 0.

Левую часть уравнения разлагаем на множители:

sin x cos x (sin³ x − 2 sin² x cos x − sin x cos² x + 2 cos³ x) = 0. Получаем совокупность уравнений

sin x = 0, cos x = 0,

sin³ x − 2 sin² x cos x − sin x cos² x + 2 cos³ x = 0.

Решения первых двух уравнений даны на с. 77. Третье уравнение подробно рассмотрено в примере 1.

Системы тригонометрических уравнений. Предположим, что, преобразовывая систему тригонометрических уравнений, мы пришли к системе

Если переписать эту систему в виде

то, складывая и вычитая полученные уравнения, придем к выводу, что

Решили ли мы систему? Оказывается, нет. Решить систему — значит, найти все ее решения, а из поля нашего зрения выпало такое очевидное решение как x = ^3π/₂, у = ^π/₄ (ни при каком целом n из выражения ^π/₄ + ^3nπ/₂ нельзя получить ^3π/₄).

В чем же ошибка? Ошибка очень проста: переходя от первоначальной системы к выражениям относительно x + у и x − у, мы должны были сохранить их «независимость», которая присутствовала в исходной системе. Вместо этого мы «связали» их введением общего целочисленного переменного n.

Правильным было бы такое решение:

откуда

x = ^π/₄ + (2т + n), у = − ^π/₄ − ^π/₂ (2т − n).

Прежде чем приступать к решению задач, ознакомьтесь с введением к главе 9.

Решите уравнения:

13.1. 1 + sin 2x + 2√2 cos 3x sin (x + ^π/₄) = 2 sin x + 2 cos 3x + cos 2x.

13.2. .

13.3. .

13.4. tg 2x tg 7x = 1.

13.5.

13.6. 2 tg 3x − 3 tg 2x = tg² 2x tg 3x.

13.7. sin³ x + cos³ x + ¹/_√2 sin 2x sin (x + ^π/₄) = cos x + sin 3x.

13.8. 4 tg 4x − 4 tg 3x − tg 2x = tg 2x tg 3x tg 4x.

13.9. Найдите решения уравнения

лежащие в интервале (0, 2π).

13.10. Решите уравнение

sin (x − α) = sin x − sin α.

13.11. Найдите решения уравнения

|cos 2x| = |sin² x − а|

(а — действительное число), удовлетворяющие неравенству

0 ≤ x ≤ 2π.

Решите уравнения:

13.12.

13.13. (tg x + sin x)^½ + (tg x − sin x)^½ = 2 tg^½ x cos x.

13.14. ctg 2x + 3 tg 3x = 2 tg x + ²/_{sin 4x}.

13.15. sec x² + cosec x² + sec x² cosec x² = 1.

13.16.

13.17. 4 sin x + 2 cos x = 2 + 3 tg x.

13.18. cos x = cos² ^3x/₄.

13.19. sin 4x[2 + ctg x + ctg (^π/₄ − x) = 2√2(1 + sin 2x + cos 2x).

13.20. sin 4x sin x − sin 3x sin 2x = ½ cos 3x + (1 + cos x)^½ .

13.21. sin 4x = m tg x, где m > 0.

13.22. sin ^x/₂ (sin x + sin 2x + ... + sin 100x) = ½ sin ^101x/₂.

13.23. sin² x + sin 2x sin 4x + ... + sin nx sin n²x = 1.

13.24. 4 cos x − 2 cos 2x − cos 4x = 1.

13.25.

13.26. sin³ x + cos³ x = 1.

13.27. cos² 3x + ¼ cos² x = cos 3x cos⁴ x.

13.28. При каких значениях а уравнение

1 + sin² ax = cos x

имеет единственное решение?

Решите системы:

13.29.

13.30.

13.31.

13.32.

13.33.

13.34.

13.35.

13.36.

13.37.

13.38.

13.39. Найдите все пары чисел x, у, которые удовлетворяют уравнению

tg⁴ x + tg⁴ у + 2 ctg² x ctg² у = 3 + sin² (x + у).

13.40. Решите уравнение

sin² x + ¼ sin² 3x = sin x sin² 3x.

13.41. Решите уравнение

cos x + cos у − cos (x + у) = ³/₂.

13.42. Найдите все пары чисел а и b, при которых для любых x и у, удовлетворяющих условию x + у = а (где x ≠ ^π/₂ + nπ, у ≠ ^π/₂ + nπ, n, m = 0, ±1, ±2, ...), верно равенство tg x + tg у + tg x tg у = b.

13.43. Найдите все пары чисел x и у, которые удовлетворяют уравнению

13.44. Решите уравнение

sin x + 2 sin 2x = 3 + sin 3x.

13.45. Решите уравнение

sin x (cos ^x/₄ − 2 sin x) + cos x (1 + sin ^x/₄ − 2 cos x) = 0

13.46. Решите уравнение

13.47. Найдите все значения x, удовлетворяющие одновременно следующим уравнениям:

cos 6х + cos 8х = 0, cos Зх = 2 sin² 2х

при условии, что |x| < 5.

13.48. Решите уравнение

13.49. Решите уравнение

13.50. Решите уравнение

2 tg x + tg ^x/₂ + 4 ctg 2х = ctg Зх.

13.51. Решите уравнение

Глава 14 Тригонометрические неравенства

Решите неравенства:

14.1. |sin x| > |cos x|.

14.2. 1 − sin x + cos x < 0.

14.3. sin x − З cos x < 0.

14.4. 2 cos 2х + sin 2х > tg x.

14.5. cos x tg 2х ≤ 0.

14.6. 6 + cos 2х + 13 cos x ≥ |5 − 2 cos 2х − 6 sin² x − З cos x|.

14.7. Найдите решения неравенства

sin 2х > √2 sin² x + (2 − √2) cos² x,

лежащие в интервале (0, 2π).

14.8. При каких значениях α, 0 ≤ α ≤ π, уравнение

2х² − 2(2 cos α − 1)x + 2 cos² α − 5 cos α + 2 = 0 имеет различные действительные корни? Исследуйте знаки корней.

Решите неравенства:

14.9.

14.10.

14.11.

14.12. tg x tg 3x < −1.

14.13.

14.14. Найдите все значения x из интервала 0 < x < π, удовлетворяющие неравенству

14.15. Докажите, что при любом а имеет место неравенство

4 sin 3α + 5 ≥ 4 cos 2α + 5 sin α.

14.16. Решите неравенство

a² sin² x ≤ sin² 3x, а > 0.

14.17. При каких значениях x и у выражение

(2 cos t + ½ cos x cos у ) cos x cos у + 1 + cos x − cos у + cos 2t

положительно при всех значениях t? Укажите, где на координатной плоскости расположены точки (x, у), удовлетворяющие этому условию.

Глава 15 Трансцендентные неравенства

Решите неравенства:

15.1. (log_{sin x} 2)² < log_{sin x} (4 sin³ x).

15.2.

15.3. Найдите решения неравенства

log₂ cos x > log₂ tg x,

удовлетворяющие условию 0 ≤ x ≤ π.

Решите неравенства:

15.4. 4 log₁₆ cos 2х + 2 log₄ sin x + log₂ cos x + 3 < 0.

15.5. log_{|cos x + √3 sin x|}½ > 0, если 0 ≤ x ≤ 2π.

15.6. sin |lg x| + cos |lg x| > − ¹/_√2.

15.7.

15.8. arctg √x > arccos (1 − x).

15.9. (4х − x² − 3) log₂ (cos² πх + 1) ≥ 1.

15.10.

Глава 16 Трансцендентные уравнения

16.1. Докажите, что уравнение

2 sin² ^x/₂ sin² ^x/₆ = ¹/_x² + x²

не имеет корней.

Решите уравнения:

16.2.

16.3. (tg x)^{sin x} = (ctg x)^{cos x}.

16.4. sin (2^{х − 1} + 2^{х − 2}) cos (2^{х − 1} + 2^{х − 2}) = ¼.

16.5. lg sin x + lg sin 5х = lg sec 4х.

16.6. lg² (sin x + 4) + 2 lg (sin x + 4) − ⁵/₄ = 0.

16.7. log_{sin x} (sin x − ¼ cos x) = 3.

16.8. log_{8 cos² x} sin x = ½.

16.9. Найдите положительные решения уравнения

tg [ 5π(½)^x] = 1.

16.10. Решите уравнение

lg² cos x + 2 lg cos x + m² + 2m − 3 = 0.

16.11. Для каждого действительного числа а решите уравнение

lg² sin x − 2а lg sin x − а² + 2 = 0.

16.12. Решите систему уравнений

16.13. Решите уравнение

4^{sin² πx} + 4^{cos² πx} = −8x² + 12|x| − ½.

16.14. Решите уравнение

Глава 17 Функции и их свойства

17.1. Решите неравенство

4f(x) + g(x) ≤ 0,

если функции f(x) и g(x) удовлетворяют системе

17.2. Сколько различных действительных корней имеет уравнение f(f(x)) = 0, где f(x) = x³ − 6x² + 9x?

17.3. Найдите все целые x и у, удовлетворяющие системе

17.4. Решите систему уравнений

17.5. Дана функция f(x) = 6х² + 2х + 6. Известно, что ее график касается графика первообразной F(x) этой функции в точке, абсцисса которой превосходит число 0,7. Найдите все значения x, для которых

17.6. Изобразите на плоскости (x, у) множество точек, координаты которых удовлетворяют неравенству

log_{(x − у)}(x + у) ≥ 1.

17.7. Найдите площадь фигуры, координаты точек которой удовлетворяют системе неравенств

17.8. На координатной плоскости заданы точки A(0; 2), B(1; 7), С(10; 7) и D(7; 1). Найдите площадь пятиугольника ABCDE, где E — точка пересечения прямых AC и BD.

17.9. Фигура задана на координатной плоскости системой

Сколько интервалов на прямой у = 2 − x образует ортогональная проекция данной фигуры на эту прямую?

17.10. При каких значениях параметра а уравнение

x² − (а + 3)x + 2а + 7 = 0

имеет 2 различных целых корня?

17.11. В зависимости от а определите число действительных корней уравнения

х⁴ − (1 − 2а)x² + а² − 1 = 0.

17.12. При каких значениях параметра а уравнение

2(2а − 1) sin 4х − (а + 3) cos 8х + 3а = 1

имеет ровно восемь решений на отрезке [−π, π]?

17.13. На плоскости (x, у) укажите все точки, через которые не проходит ни одна из кривых семейства

у = x² + 2(а − 1)x + 2(а − 1)² − 1,

где а — действительное число.

Глава 18 Задачи на составление уравнений

При решении задач на составление уравнений основную трудность представляет перевод условия задачи с обычного языка на язык математических символов и уравнений. Наиболее ответственный этап этого процесса — выбор неизвестных. Нельзя шаблонно выбирать в качестве неизвестных величины, стоящие в вопросе задачи. Основное требование, которому должны отвечать выбранные неизвестные, состоит в том, чтобы с их помощью можно было прозрачно записать сформулированные в условии задачи соотношения.

Разберем в качестве примера следующую задачу.

Пример 1. Трое рабочих должны изготовить некоторое число деталей. Сначала к работе приступил первый, а через некоторое

время к нему присоединился второй. Когда ¹/₆ работы была выполнена, к работе приступил третий. Работу они закончили одновременно. Сколько времени работал первый рабочий, если каждый изготовил одинаковое число деталей, причем третий работал на 2 ч меньше второго? Известно, что первый и второй, работая вместе, могут изготовить требуемое число деталей на 9 ч раньше, чем третий, если бы он работал один.

Известно, что каждый рабочий изготовил одинаковое число деталей, т. е. выполнил треть всей работы. С другой стороны, нет никаких сведений о числе деталей, изготовленных кем-либо в какой-либо промежуток времени. Это означает, что речь идет о работе «вообще», о том, что каждый выполнял какую-то часть этой работы, а потому всю работу следует принять за единицу. Ту же мысль подтверждает и условие, в силу которого третий рабочий приступил к работе, когда ¹/₆ работы (обратите внимание: ¹/₆ всей работы, а не 45 или 27 деталей) была уже выполнена.

Из условия следует, что рабочие работают по-разному, другими словами, они изготовляют разное число деталей за одно и то же время. Поэтому нужно ввести в рассмотрение производительность каждого из них. Однако через x, у и z мы обозначим не число деталей, изготовляемых в час первым, вторым и третьим рабочими соответственно, а ту часть всей работы, которую каждый из них выполняет за это время.

После всего сказанного должно быть очевидным, что мы легко перепишем условие задачи в виде системы уравнений, если введем в рассмотрение еще три неизвестные: t₁, t₂, t₃ — время, затраченное соответственно первым, вторым и третьим рабочими. Так как каждый из них сделал за это время треть всей работы, то

t₁x = t₂у = t₃z = ⅓. (1)

Мы получили три уравнения (их можно было написать в виде t₁x = ⅓, t₂у = ⅓, t₃z = ⅓. K ним нередко добавляют четвертое:

t₁x + t₂у + t₂z = 1,

которое должно отражать то обстоятельство, что в итоге вся работа была выполнена. Однако это уравнение не содержит никакой самостоятельной информации: оно является следствием первых трех и получается в результате их сложения. Поэтому последнее уравнение, хотя и верно составлено, но бесполезно для решения задачи.

Так как первый и второй рабочие вместе выполняют всю работу за ¹/_{x + y} ч, а третьему на это потребуется ¹/_z ч, то еще одно условие задачи можно записать так:

¹/_{x + y} + 9 = ¹/_z. (2)

Составим теперь уравнение, отражающее тот факт, что третий рабочий приступил к работе, когда ее ¹/₆ была выполнена. Другими словами, когда первый проработал t₁ − t₃ ч, а второй t₂ − t₃ ч, они сделали ¹/₆ всей работы:

x(t₁ − t₃) + у(t₂ − t₃) = ¹/₆. (3)

Добавляя к этим пяти уравнениям шестое:

t₂ − t₃ = 2, (4)

мы можем приступить к решению полученной системы уравнений.

Решая систему уравнений, как правило, следует держать в поле зрения два обстоятельства. Во-первых, систему уравнений нужно воспринимать в целом, так, как вы воспринимали бы ее, решая вне связи с задачей. Это позволит найти более рациональный ключ к ее решению. Во-вторых, нельзя упустить из виду те неизвестные (или комбинации неизвестных), которые позволят ответить на вопрос задачи. Благодаря этому можно обойтись без излишних вычислений.

В нашем примере второе обстоятельство должно побудить нас использовать уравнение (4) для упрощения уравнения (3), в результате чего из (3) будет исключено неизвестное t₂, которое нас не интересует. Однако после замены t₂ − t₃ на 2 уравнение (3) потеряет симметрию относительно t₁x и t₂у, что затруднит использование уравнений (1). Если же в уравнении (3) раскрыть скобки и вспомнить, что xt₁ = ⅓ и уt₂ = ⅓, то получим уравнение

t₃(x + у) = ½.

С его помощью можно выразить x + у через t₃, а из уравнения zt₃ = ⅓ можно выразить через t₃ и неизвестное z. Подставляя эти выражения в (2), получим

2t₃ + 9 = 3t₃,

откуда

t₃ = 9.

Дальнейшее решение системы не представляет труда. Находим последовательно: t₂ = 11, z = ¹/₂₇, у = ¹/₃₃. Из уравнения (2) определяем x = ⁵/₁₉₈ и t₁ = ¹/_3x = ⁶⁶/₅. Итак, первый рабочий работал 13 ч 12 мин.

Эту же задачу можно было бы решить с помощью меньшего числа неизвестных, если ввести в рассмотрение, помимо величин x, у и z, имеющих прежний смысл, величину t, обозначающую время, в течение которого рабочие работали вместе, т. е. время работы третьего рабочего. Это привело бы нас к системе:

t(x + у + z) = ⁵/₆ (1′)

(за время t рабочие сделали вместе ⁵/₆ всей работы),

tz = (t + 2)у = ⅓ (2′)

(за время t третий рабочий сделал треть всей работы, а второму на это потребовалось на 2 ч больше),

¹/_{x + y} + 9 = ¹/_z (3′)

(первый и второй рабочие выполняют всю работу на 9 ч быстрее, чем третий, работая один).

Поскольку tz = ⅓, то из (1′) найдем

x + y = ¹/_2t.

Вместе с z = ¹/_3t подставим в (3′). Получим

t = 9.

Как и прежде, найдем последовательно z, у и x. На вопрос задачи можно ответить, вспомнив, что первый рабочий работал столько, чтобы успеть сделать ⅓ всей работы, т. е. ¹/_3x.

Конечно, второе решение выглядит более изящно, чем первое. Однако признать его лучшим трудно, поскольку за те простые уравнения, от которых мы отказались, пришлось уплатить некоторым усложнением логики.

А теперь приведем арифметическое решение этой задачи — решение, в котором удается обойтись вообще без составления уравнений.

Так как рабочие совместно выполнили 1 − ¹/₆ = ⁵/₆ всей работы, причем третий сделал ⅓, то на долю первого и второго осталось ⁵/₆ − ⅓ = ½ всей работы. Следовательно, если бы первый и второй успели выполнить всю работу, то третий за то же самое время сделал бы ⅔; ему останется 1 − ⅔ = ⅓ , на что ему потребовалось бы в силу последнего условия задачи 9 ч.

Так как каждый рабочий сделал одинаковое количество деталей, т. е. ⅓ всей работы, то третий работал ровно 9 ч. Тогда второй работал 9 + 2 = 11 ч. Так как он тоже сделал ⅓ всей работы, то его производительность равна ¹/₃₃ всей работы в час. Мы знаем, что первый и второй тратят на ½ всей работы столько же, сколько третий на ⅓, т. е. 9 ч. Второй сделает за это время 33 · 9 = ³/₁₁ всей работы. Следовательно, на долю первого приходится ½ − ³/₁₁ = ⁵/₂₂. Его производительность ⁵/₂₂ : 9 = ⁵/₁₉₈ в час. Свою треть работы он выполнил за ⅓ : ⁵/₁₉₈ = 13¹/₅ (ч), т. е. за 13 ч 12 мин.

Хотя решение выглядит намного красивее, чем первые два, его тоже трудно назвать существенно лучшим. Взгляните внимательно на уравнения второго решения, и вы заметите, что третье решение получено почти «дословным» пересказом этих уравнений.

Таким образом, на пути к решению задачи вас не должно останавливать большое число неизвестных, которые, по вашему мнению, следует ввести.

Однако старайтесь не вводить неизвестные, размерность которых не встречается в условии и не может быть получена как комбинация элементов условия. Введение таких неизвестных может усложнить задачу.

Вот простой пример.

Пример 2. Расстояние между двумя пунктами A и В пароход проходит по течению реки на а ч быстрее, чем то же расстояние в стоячей воде, и на b ч быстрее, чем против течения (b > а > 0). За какое время пароход проходит расстояние от A до В по течению?

Если ввести в рассмотрение неизвестные: v — скорость парохода в стоячей воде, w — скорость течения реки, x — расстояние, то получим систему двух уравнений с тремя неизвестными:

Найти из этой системы величину ^x/_{v + w} можно, если сделать следующие преобразования:

и обозначить ^v/_x = у, ^w/_x = z. Мы придем к системе относительно у и z, решив которую, вычислим ¹/_{y + z}.

Однако такую систему можно было получить сразу, если бы мы не ввели в качестве неизвестного x пройденное пароходом расстояние.

В условии задачи не было чисел, выраженных в километрах, однако расстояние между пунктами являлось существенным связующим звеном. Это означает, что мы должны были принять его за единицу, а скорости v и w выражать в частях расстояния, пройденных за один час. В результате мы пришли бы к системе

которую не пришлось бы преобразовывать.

Разберем еще одну задачу, на примере которой видно, как решаются задачи на движение.

Пример 3. Из пункта С в пункт D выехал товарный поезд. Через 5 ч 5 мин навстречу ему из пункта D выехал пассажирский поезд. Они встретились в каком-то пункте А. После этого пассажирский поезд приехал в пункт С через 4 ч 6 мин, а товарный — в пункт D через 12 ч 55 мин. Сколько времени каждый поезд находился в пути?

Условия задачи можно отразить на схеме (рис. 18.1), где буквой В обозначено положение товарного поезда в момент выхода пассажирского из пункта D.

То обстоятельство, что оба поезда находились в точке А одновременно, мы отразим на схеме с помощью вертикального отрезка, связывающего оба пути. Схема подсказывает нам и выбор неизвестных. На путь от В до А товарный поезд потратил столько же времени, сколько пассажирский на путь от пункта D до А. Если обозначить это время через x, то на схеме не останется «белых пятен».

Пусть v₁ — скорость товарного поезда, а v₂ — скорость пассажирского поезда. Каждый из отрезков пути: от пункта С до А и от пункта D до А позволяет составить уравнения

12¹¹/₁₂v₁ = хv₂, (5¹/₁₂ + x)v₁ = 4¹/₁₀v₂.

Можно составить и уравнение для всего пути:

(5¹/₁₂ + x + 12¹¹/₁₂)v₁, = (x + 4¹/₁₀) v₂,

которое является следствием (точнее, суммой) первых двух уравнений. Однако это уравнение проще второго. Поэтому мы будем решать систему

Разделив первое уравнение на второе, получим

откуда x = 5 ч 10 мин (второй корень отрицательный и не имеет физического смысла). Итак, товарный поезд пройдет весь путь за 23 ч 10 мин, а пассажирский — за 9 ч 16 мин.

18.1. Бассейн наполняется четырьмя трубами за 4 ч. Первая, вторая и четвертая заполняют бассейн за 6 ч. Вторая, третья и четвертая — за 5 ч. За сколько времени заполняют бассейн первая и третья трубы?

18.2. У продавца испортились весы (плечи весов оказались неравными). Продавец отпустил покупателю два веса: первый раз на одну чашку весов положил килограммовую гирю, а на вторую — товар, во второй раз поменял гирю и товар местами. Компенсировал ли продавец неточность весов?

18.3. Школьник переклеивает свои марки в новый альбом. Если он наклеит по 20 марок на один лист, то ему не хватит альбома, если по 23 марки, то по крайней мере один лист останется пустым. Если школьнику подарить еще один такой же альбом, на каждом листе которого наклеено по 21 марке, то всего у него станет 500 марок. Сколько листов в альбоме?

18.4. Одному буксиру нужно перевезти за наименьшее время два понтона вниз по реке на l км. Было решено, что один понтон будет отправлен по течению реки самостоятельно, а другой будет некоторое время транспортироваться буксиром, после чего буксир оставит его и вернется за первым и отбуксирует его до конечного пункта. Сколько километров должен транспортироваться второй понтон, чтобы оба пришли к конечному пункту одновременно, и сколько потребуется времени на всю перевозку, если собственная скорость буксира v км/ч, а скорость течения реки u км/ч?

18.5. Некто родился в девятнадцатом веке (до 1900 года). В 1901 году сумма цифр числа, выражающего год его рождения, равнялась сумме цифр числа, выражающего количество прожитых лет. Определите, в каком году родился некто.

18.6. Цена бриллианта пропорциональна квадрату его массы. Бриллиант массой p карат был разбит на две части, после чего его стоимость уменьшилась в k раз. Найдите массы частей, на которые был разбит бриллиант[12].

18.7. Некоторую часть маршрута туристам предстоит совершить вверх по реке. В их распоряжении моторная лодка, способная развивать две скорости с разным расходом горючего. Если скорость течения реки окажется равной u км/ч, то при движении на любой из собственных скоростей будет затрачено одинаковое количество горючего. Если же скорость течения в k раз больше (k > 1), то при движении с собственной скоростью v₁ горючее будет израсходовано полностью, а при движении с собственной скоростью v₂ останется A кг горючего. Какое количество горючего будет затрачено на весь путь?

18.8. У продавца мороженого есть по нескольку десятков порций мороженого пяти сортов — за 7, 9, 11, 13 и 15 p. Общее число порций равно 180, а общая стоимость — 1840 p. Порций мороженого по 7 и 9 p. вместе столько же, сколько по 11, 13 и 15 p. вместе. Кроме того, известно, что порций по 9 p. вдвое больше, чем по 15 p., и больше, чем по 13 p. Определите число порций каждого сорта.

18.9. Плоты шли из пункта A до устья реки вниз по течению. У устья реки их взял на буксир пароход и через 11,5 суток после выхода плотов из пункта A доставил их по озеру в пункт B. Сколько времени пароход вел плоты от устья реки по озеру до B, если известно, что пароход совершает рейс (без буксировки) от A до B за 40 ч и от B до A за 48 ч, а скорость во время буксировки уменьшается вдвое.

18.10. Три пловца должны проплыть из A в B и обратно. Сначала стартует первый, через 5 с — второй, еще через 5 с — третий. Некоторую точку C, находящуюся между пунктами A и B, все пловцы миновали одновременно (до этого времени ни один из них в B не побывал). Третий пловец, доплыв до B и повернув назад, встречает второго в 9 м от B, а первого — в 15 м от B. Найдите скорость третьего пловца, если расстояние AB равно 55 м.

18.11. Сосуд, содержащий p%−й раствор кислоты, долили доверху q%−м раствором кислоты и после перемешивания отлили то же количество. Проделав эту операцию k раз, получили r%−й раствор. Какую часть объема сосуда занимал первоначальный раствор[13]?

18.12. Из пункта A в пункт B выехал автомобиль. Одновременно из B навстречу ему выехал мотоцикл. Через некоторое время они встретились. В момент их встречи из B в A выехал второй мотоцикл и в некоторый момент времени встретился с автомобилем. Расстояние между пунктами первой и второй встреч равно ²/₉AB. Если бы скорость автомобиля была на 20 км/ч меньше, то автомобиль встретился бы с первым мотоциклом через 3 ч после их выезда и расстояние между пунктами встреч было бы равно 60 км. Найдите AB, если скорости обоих мотоциклов одинаковы.

18.13. Пассажир, опоздавший на поезд, сначала решил догнать его на такси, однако через некоторое время пересел на автобус, заплатив за билет А p., и прибыл на одну из станций одновременно с поездом. Между тем он обнаружил, что если бы продолжал ехать на такси, то догнал бы поезд на τ ч раньше, истратив при этом на В p. меньше. Какова скорость поезда, если скорость такси v₁ км/ч, автобуса v₂ км/ч (v₁ > v₂), а стоимость проезда 1 км на такси а p.?

18.14. Товарный поезд, шедший из А в В, прибыл в С одновременно с пассажирским, шедшим из В в А со скоростью в m раз большей, чем скорость товарного поезда. Оба состава простояли t ч в пункте С, затем продолжили путь, причем каждый увеличил скорость на 25%. Товарный поезд прибыл в В на t₁ ч позже, а пассажирский в А на t₂ ч позже, чем если бы они двигались без остановки с первоначальной скоростью. Насколько раньше товарный поезд вышел из А, чем пассажирский из В?

18.15. Расстояние между пунктами А и В равно s км. Из пункта А в пункт В вылетел вертолет, а через t ч в том же направлении вылетел самолет. Самолет догнал вертолет в d км от А, долетел до В и сразу повернул обратно. В d км от В самолет встретил вертолет и вернулся в А позднее, чем вертолет прибыл в В. Насколько раньше вертолет прибыл в В, чем самолет вернулся в А?

18.16. В озеро впадают две реки. Пароход выходит из порта M на первой реке и плывет вниз по течению, затем через озеро (на озере течение отсутствует) и по второй реке вверх по течению до порта N. Придя в N, пароход отправляется в обратный путь.

Известна собственная скорость парохода v и скорости течения рек: v₁ и v₂. На путь от M до N, равный по длине s, и на обратный путь пароход тратит одинаковое время t. Какое расстояние пароход проходит по озеру?

18.17. Из пункта А в пункт В в 8 ч утра выходит скорый поезд. В этот же момент из В в А выходят пассажирский и курьерский поезда, причем скорость курьерского в два раза больше скорости пассажирского. Скорый поезд прибывает в В в 13 ч 50 мин того же дня, а встречает курьерский поезд не ранее 10 ч 30 мин утра. Когда пассажирский поезд прибудет в пункт А, если между моментами встреч скорого поезда с курьерским и скорого поезда с пассажирским проходит не менее часа?

18.18. Завод должен получить 1100 деталей. На базе имеются комплекты по 70, 40 и 25 деталей. Стоимость пересылки одного комплекта равна соответственно 20, 10 и 7 p. Какие комплекты и в каком количестве следует заводу заказать, чтобы расходы по пересылке были наименьшими? Переупаковка комплектов на базе не допускается.

Глава 19 Последовательности и прогрессии

Рассмотрим функцию натурального аргумента а_n = f(n), где либо n = 1, 2, 3, ..., k, либо n = 1, 2, 3, ..., k, ... . Если при любых натуральных i и j, таких, что i < j, значение а_j считается последующим по отношению к а_i, то множество значений а_n этой функции образует последовательность.

Последовательность обозначают, записывая ее члены а_n один за другим в порядке возрастания номера n: а₁, a₂, а₃, ... .

Если номер n принимает значения n = 1, 2, 3, ..., k, то последовательность называется конечной. Если же n = 1, 2, 3, ... (т. е. n пробегает все натуральные числа), то последовательность называется бесконечной.

а_n = f(n) называется общим членом последовательности. Если для любых i и j, таких, что i < j, выполняется неравенство а_i < а_j, то последовательность называется возрастающей. Если при тех же условиях будет а_i > а_j, то последовательность называется убывающей. Если же при любых i и j, таких, что i < j, выполняется неравенство а_i ≤ а_j (а_i ≥ а_j), то последовательность называется неубывающей (невозрастающей).

Последовательность, в которой

а_{i + 1} = а_i + d

при всех натуральных i, называется арифметической прогрессией. Число d называется разностью арифметической прогрессии. Имеют место формулы:

2а_n = а_{n + 1} + а_{n − 1}; а_n = а₁ + d(n − 1);

где S_n — сумма n первых членов прогрессии.

Последовательность, в которой

a_{i + 1} = qa_i

при всех натуральных i, причем q ≠ 0 и a_i ≠ 0, называется геометрической прогрессией, а число q называется ее знаменателем.

Для геометрической прогрессии имеют место формулы:

a_n = a₁q^{n − 1}; a²_n = a_{n − 1}a_{n + 1}.

Вторая формула верна, если q ≠ 1. Бесконечная геометрическая прогрессия, у которой |q| < 1, называется бесконечно убывающей.

Бесконечно убывающая геометрическая прогрессия не обязательно является убывающей последовательностью. Она может быть возрастающей, например, при a₁ = −1, q = ½ , а может быть колеблющейся: a₁ = 1, q = −½ .

Если для бесконечной последовательности существует конечный предел последовательности ее сумм S_n, т. е. существует , то S называется суммой всех членов этой бесконечной последовательности.

Для того чтобы бесконечная геометрическая прогрессия имела сумму всех своих членов, необходимо и достаточно, чтобы она была бесконечно убывающей. В этом случае

19.1. Общий член последовательности Является эта последовательность возрастающей или убывающей?

19.2. Докажите, что если члены a_p, a_q, a_r, a_s арифметической прогрессии образуют геометрическую прогрессию, то последовательность p − q, q − r, r − s является геометрической прогрессией.

19.3. Докажите, что если положительные числа a, b, с — соответственно m-й, n-й и p-й члены как арифметической, так и геометрической прогрессии, то

a^{b − с}b^{с − a}с^{a − b} = 1.

19.4. Докажите, что если а, b, с образуют геометрическую прогрессию, то

где x > 0, x ≠ 1, а, b, с — различные положительные числа, отличные от единицы.

19.5. Найдите сумму

S = 7 + 77 + 777 + ... + 777...7,

где последнее слагаемое содержит n цифр.

19.6. Докажите, что где цифра 1 повторяется 2n раз, и цифры 2 и 3 только n раз.

19.7. При каких значениях x и у последовательность а₁, а₂, а₃, где

является одновременно арифметической и геометрической прогрессией?

19.8. Пусть х₁ и х₂ — корни уравнения x² − 3х + А = 0, а х₃ и х₄ — корни уравнения x² − 12х + В = 0. Известно, что последовательность х₁, х₂, х₃, x₄ является возрастающей геометрической прогрессией. Найдите А и В.

19.9. Решите уравнение

х³ − 7х² + 14х + а = 0,

зная, что его корни образуют возрастающую геометрическую прогрессию.

19.10. В бесконечно убывающей геометрической прогрессии сумма всех членов вдвое больше суммы первых n членов. Найдите произведение первых n членов, если первый член равен √2.

19.11. Найдите трехзначное число, цифры которого образуют арифметическую прогрессию и которое делится на 45.

19.12. Найдите трехзначное число по следующим условиям: его цифры образуют геометрическую прогрессию; если из него вычесть 594, то получится число, записанное теми же цифрами, но в обратном порядке; если цифры искомого числа увеличить соответственно на 1, на 2 и на 1, то получится арифметическая прогрессия.

19.13. Имеющиеся в колхозе комбайны, работая вместе, могут убрать урожай за одни сутки. Однако по плану комбайны возвращались с других полей и вступали в работу последовательно: в первый час работал лишь один комбайн, во второй — два, в третий — три и т. д. до тех пор, пока не начали работать все комбайны, после чего в течение нескольких часов перед завершением уборки урожая действовали все комбайны. Время работы по плану можно было бы сократить на 6 ч, если бы с самого начала уборки постоянно работали все комбайны, за исключением пяти. Сколько было комбайнов в колхозе?

19.14. Три брата, возрасты которых образуют геометрическую прогрессию, делят между собой некую сумму денег пропорционально своему возрасту. Если бы они это проделали через 3 года, когда самый младший окажется вдвое моложе самого старшего, то младший получил бы на 105, а средний на 15 p. больше, чем сейчас. Сколько лет каждому из братьев?

19.15. Три отличных от нуля действительных числа образуют арифметическую прогрессию, а квадраты этих чисел, взятые в том же порядке, образуют геометрическую прогрессию. Найдите всевозможные знаменатели этой геометрической прогрессии.

19.16. Даны два числа а и b. Составим последовательность а, b, a_1, b₁, a₂, b₂, ..., а_n, b_n, ..., каждый член которой, начиная с третьего, равен среднему арифметическому двух предшествующих. Докажите, что

и найдите предел этой последовательности.

19.17. Найдите все положительные значения а, для которых все неотрицательные значения x, удовлетворяющие уравнению

cos [(8а − 3)x] = cos [(14а + 5)x]

и расположенные в порядке возрастания, образуют арифметическую прогрессию.

Глава 20 Суммирование

При решении задач, связанных с последовательностями, приходится доказывать утверждения такого типа: «Для любого целого n ≥ p (где p — целое) справедливо...»

Доказательство этих утверждений базируется на аксиоме индукции.

Пусть для некоторого утверждения А доказаны две теоремы.

Теорема 1. Утверждение А справедливо для n = p.

Теорема 2. Из условия, что утверждение А справедливо для всех p ≤ n ≤ k, следует, что оно справедливо для n = k + 1.

Тогда в качестве аксиомы (она называется аксиомой индукции) принимают, что утверждение А справедливо для всех n ≥ p (n, p и А — целые числа).

Метод доказательства, основанный на использовании аксиомы индукции, называется методом математической индукции.

С помощью метода математической индукции можно доказать формулы

20.1. Докажите неравенство

20.2. В арифметической прогрессии а₁, а₂, ..., а_n первый член равен разности прогрессии: а₁ = d. Считая число n данным, найдите

20.3. Найдите сумму

20.4. Найдите зависимость между натуральными n и А, если

где а ≠ 0, 1, −1.

20.5. Найдите коэффициент при хⁿ в разложении

(1 + x + 2х² + ... + пхⁿ)².

20.6. Решите неравенство

|x − 2х² + 4х³ − 8х⁴ + ... + (−2)^{n − 1}хⁿ + ...| < 1.

20.7. Найдите сумму

S_n = 1 · 1! + 2 · 2! + 3 · 3! + ... + n · n!.

20.8. Найдите сумму

S_n = x + 4х³ + 7х⁵ + 10х⁷ + ... + (3n − 2)х^{2n − 1}.

20.9. Найдите сумму

S_n⁴ = 1⁴ + 2⁴ + 3⁴ + ... + n⁴,

считая известными формулы для S_n, S_n², S_n³ (см. с. 103).

20.10. Натуральные числа разбиты на группы

(1), (2, 4), (3, 5, 7), (6, 8, 10, 12), (9, 11, 13, 15, 17), ...

Найдите сумму чисел в n-й группе.

20.11. Вычислите выражение

20.12. Найдите сумму

1 + 2 · 2 + 3 · 2² + ... + 100 · 2⁹⁹.

20.13. Найдите сумму ряда

Глава 21 Соединения и бином

Эта глава содержит задачи по комбинаторике, а также задачи, связанные с возведением в степень двучлена ax + b. Выражение (ax + b) называют биномом Ньютона и рассматривают, как правило, его разложение в ряд по степеням x и коэффициенты этого разложения — они зависят от а и b — при различных степенях x.

Комбинаторика изучает всевозможные комбинации из элементов данного конечного множества. Простейшие из таких комбинаций: перестановки, размещения и сочетания.

Перестановки состоят из одних и тех же элементов некоторого множества и отличаются одна от другой только порядком их расположения. Число всех возможных перестановок для множества, состоящего из n различных элементов, обозначают P(n):

P(n) = 1 · 2 · 3 · ... · n = n! (1)

Символ n! (читается «эн факториал») обозначает произведение первых n чисел натурального ряда: 1! = 1, 2! = 2, 3! = 6, 4! = 24, ... . По определению 0! = 1.

Следующий вид комбинаций — размещения из n различных элементов, образующих множество, в группы по k различных элементов в каждой. При этом два размещения считают разными, если они отличаются либо элементами, либо порядком их расположения. Подобные ситуации возникают при размещении постояльцев в гостинице, зрителей в театральном зале, пассажиров в поезде. Число всех возможных размещений по k различных элементов в каждом размещении, формируемых из n различных элементов данного множества, обозначают А_n^k. Имеет место формула:

Сочетания из n элементов по k элементов — комбинации, составленные из данных n элементов и содержащие по k (k ≤ n) элементов в каждой, отличающиеся одна от другой хотя бы одним элементом. С — число сочетаний из n по k:

Наряду с соединениями, в которые каждый из n различных элементов некоторого фиксированного множества входит один раз, можно рассматривать соединения с повторениями, допускающие появление одного и того же элемента более одного раза.

Если задан алфавит из n различных букв и поставлена задача составить всевозможные слова по k букв в каждом, то речь идет о размещениях с повторениями. Обратите внимание на то обстоятельство, что слова могут быть любой длины, а потому нет необходимости в выполнении ограничения k ≤ n. Слова aba и baa считаются различными (входящие в них элементы образуют разные последовательности).

Число всевозможных различных размещений с повторениями из n различных элементов по k элементов в каждом находится по формуле

Доказывается эта формула с помощью рекуррентного соотношения

которое устанавливается следующим рассуждением. Если первая буква в слове из k букв фиксирована, то в оставшиеся k − 1 ячеек можно разметить буквы способами. Для каждого из этих способов остается n возможностей для выбора буквы, стоящей на первом месте. В результате мы получим все размещения с повторениями из n по k.

Размещения с повторениями, образованные из n элементов a₁, a₂, ..., а_n так, что каждый из этих элементов входит в размещение по крайней мере один раз, называются перестановками с повторениями. Если известно, что элемент a₁ входит α₁ раз, элемент a₂ входит α₂ раз, ..., элемент a_n входит α_n раз, то число всевозможных таких перестановок обозначают и оно может быть найдено по формуле

Два сочетания с повторениями из n элементов по k в каждом считаются различными тогда и только тогда, когда они отличаются по крайней мере одним элементом или какой-нибудь элемент входит в эти соединения различное число раз. Число всевозможных сочетаний с повторениями определяется по формуле

вывод которой состоит в доказательстве того факта, что допущение о возможности повторений элементов равносильно увеличению числа элементов, из которых образуются сочетания, на k − 1.

Для любого натурального n справедливы разложения

Для биномиальных коэффициентов справедливы равенства:

21.1. Сколькими различными способами можно усадить за круглый стол n человек, если два способа считаются одинаковыми, когда каждый человек имеет тех же соседей (левый и правый соседи не различаются).

21.2. Имеется одна перестановка из пяти элементов: а₁, а₂, а₃, а₄, а₅. Найдите число всех перестановок из этих элементов, в каждой из которых на первом месте стоит элемент, отличный от а₁, а на втором — элемент, отличный от а₂.

21.3. Сколько можно образовать семизначных чисел из цифр 1, 2, 3, ..., 8 с тем, чтобы цифра 2 входила в каждое число не меньше, чем три раза?

21.4. Сколько восьмизначных чисел можно образовать из цифр 0, 1, 2, 3, 4, 5, если в каждом числе цифра 1 содержится три раза, а остальные цифры по одному разу?

21.5. Экскурсанты заказали на пароходе 8 четырехместных кают. Все места в каждой из кают и все каюты равноценны. Сколькими способами могут экскурсанты разместиться в каютах, если их 32 человека?

21.6. Вычислите сумму

21.7. Найдите все значения n, при которых какие-либо три последовательных коэффициента разложения бинома (x + а)ⁿ являются тремя последовательными членами арифметической прогрессии.

21.8. Найдите число неподобных между собой членов разложения

(а + b + с + d)ⁿ.

21.9. Найдите коэффициент при х^k в разложении

(1 + x + x² + ... + х^{n − 1})².

21.10. Для бинома (¹/₅x + ²/₅)ⁿ найдите натуральный показатель n, если известно, что десятый член разложения этого бинома имеет наибольший коэффициент.

21.11. Определите число отличных от нуля коэффициентов в разложении

(1 + x² + х⁵)²⁰ = а₀ + а₁х + а₂х² + ... + а₁₀₀х¹⁰⁰.

21.12. Дана последовательность а₁, а₂, а₃, ..., а₁₀. Сколькими способами, сохраняя фиксированный порядок элементов последовательности, ее можно разбить на группы, каждая из которых состоит из одного элемента или двух рядом стоящих элементов?

21.13. На плоскости проведены m параллельных прямых и n прямых, пересекающих эти прямые и друг друга. Никакие три прямые не проходят через одну точку. На сколько областей (частей) эти прямые разбивают плоскость?

Глава 22 Обратные тригонометрические функции

Определения обратных тригонометрических функций приводят к следующим соотношениям.

Если arcsin x = α (−1 ≤ x ≤ 1), то sin α = x и −^π/₂ ≤ α ≤ ^π/₂ .

Если x ≥ 0, то 0 ≤ α ≤ ^π/₂ ; если x ≤ 0, то −^π/₂ ≤ α ≤ 0.

Если arccos x = α (−1 ≤ x ≤ 1), то cos α = x и 0 ≤ α ≤ π.

Если x ≥ 0, то 0 ≤ α ≤ ^π/₂; если x ≤ 0, то ^π/₂ ≤ α ≤ π.

Если arctg x = α, то tg α = x и −^π/₂ < α < ^π/₂.

Если x ≥ 0, то 0 ≤ α < ^π/₂ ; если x ≤ 0, то −^π/₂ < α ≤ 0.

Если arctg x = α, то ctg α = x и 0 < α < π.

Если x ≥ 0, то 0 < α ≤ ^π/₂; если x ≤ 0, то ^π/₂ ≤ α < π.

Имеют место следующие соотношения[14]:

arcsin x + arccos x = ^π/₂; arctg x + arcctg x = ^π/₂;

arcsin (−x) = −arcsin x; arctg (−x) = −arctg x; arccos (−x) = π − arccos x; arcctg (−x) = π − arcctg x.

22.1. Докажите, что

2 arctg ¼ + arctg ⁷/₂₃ = ^π/₄.

22.2. Представьте выражение

arctg ⁷/₉ + arcctg 8 + arcsin ^√2/₄

в виде значения функции arcsin x.

22.3. Представьте выражение

arctg (−2) + arcsin ⅓ + arctg (−⅓)

в виде значения лишь одной обратной тригонометрической функции.

22.4. Вычислите сумму

22.5. Найдите

arccos (sin π(x² + x − З)),

если

22.6. Докажите, что если 0 ≤ x ≤ 1, то

22.7. Докажите, что выражение arcsin не зависит от x, если x < −1, и упростите его в этом случае.

Решите уравнения:

22.8. tg (З arcsin x) = 1.

22.9. arcsin ^3x/₅ + arcsin ^4x/₅ = arcsin x.

22.10. arcsin 2x + arcsin x = ^π/₃.

22.11. arctg (2 + cos x) − arctg (2 cos² ^x/₂) = ^π/₄.

22.12.

22.13. arctg (x − 1) + arctg x + arctg (x + 1) = arctg Зx.

Глава 23 Область определения. Периодичность

Областью определения функции может быть вся числовая ось (у = x², у = sin x), луч с принадлежащей ему граничной точкой (у = √x , граничная точка x = 0 принадлежит области определения x ≥ 0) и с не принадлежащей ему граничной точкой (у = lg x), совокупность интервалов (замкнутых, открытых, полуоткрытых) и отдельных точек.

Важной характеристикой функции является ее периодичность. С помощью периодических функций можно описать явления, повторяющиеся через равные промежутки времени. Функция f(x) называется периодической, если существует такое число T ≠ 0, что для любого значения аргумента x чи́сла x + T и x − T также являются значениями аргумента и выполняется равенство f(x + T) = f(x).

Если T — период f(x) и x — значение аргумента, то x + nТ, где n — целое число, — также значение ее аргумента, а пТ — период функции f(x). В частности, если T — период, то и −T — тоже период.

Наименьший положительный период называется основным периодом.

23.1. Найдите область определения функции

23.2. Найдите область определения функции

log₃ log_½ (x² − x − 1).

23.3. При каких значениях x выражение принимает действительные значения?

23.4. Найдите область определения функции

arccos (x² − 3х + 1) + tg 2х.

23.5. Где расположены точки плоскости, для координат которых выражение

принимает действительные значения ?

23.6. Докажите, что функция у = cos x² не является периодической.

23.7. Докажите, что если функция

f(x) = sin x + cos аx

периодическая, то а — рациональное число.

23.8. Найдите основной период функции

у = cos ^3x/₂ − sin ^x/₃.

Глава 24 Наибольшие и наименьшие значения

24.1. Найдите все значения x, при которых функция

sin x − cos² x − 1

принимает наименьшее значение.

24.2. Найдите наибольшее значение функции

у = sin 2х sin (2х − ^π/₆).

При каких значениях x оно достигается?

24.3. Найдите наибольшее значение функции

у = sin x cos² x − sin³ x cos x.

24.4. При каких значениях x и у выражение

2х² + 2ху + у² − 2х + 2у + 2

имеет наименьшее значение. Найдите это наименьшее значение.

24.5. Найдите наименьшее значение выражения

у = |х² − 1| + |х² − 4| + |x + 2| + |x + 1|.

24.6. Найдите наименьшее значение функции

у = х⁷ + ^a/_7x, где x > 0, а > 0.

24.7. В круг радиусом R вписывается данный угол α. Какими должны быть длины хорд, образующих этот угол, чтобы их сумма была наибольшей?

24.8. В основании прямой призмы лежит прямоугольный треугольник с площадью, равной 2 м², а высота призмы равна гипотенузе основания. Какими должны быть стороны основания, чтобы боковая поверхность призмы была наименьшей?

24.9. Найдите сторону наибольшего из квадратов, внутренние точки которых находятся внутри правильного шестиугольника со стороной а.

24.10. Найдите наибольшее значение дроби если x может принимать любые действительные значения.

24.11. Контейнер для приборов должен быть сконструирован в форме прямоугольного параллелепипеда объемом 7,2 м³, причем площадь полной поверхности контейнера не должна превышать 24 м² при условии, что периметр основания не станет менее 10 м. Найдите размеры такого контейнера.

24.12. Найдите наименьшее значение функции

у = ctg² (α − x) + ctg² (α + x), 0 < α < ^π/₂.

24.13. Найдите наибольшее и наименьшее значения функции

arcsin³ x + arccos³ x.

24.14. Найдите наименьшее значение функции

у = 2 sin² x − 3 sin 2x + 10 cos² x.

24.15. Найдите наименьшее значение суммы у + w, если x, у, z, w удовлетворяют системе