C 方程不等式与成立条件 · 08

一元二次不等式的解集

解一元二次不等式,就是在抛物线上找到符合条件的部分,再读出对应的横坐标。大于零看横轴上方,小于零看下方;带等号时,还要取到零点。

读图方法

把不等式看成图象的位置

移项、合并同类项后,把不等式写成 $Q(x)>0$、$Q(x)<0$ 或带等号的形式,其中 $Q(x)=ax^2+bx+c$,$a,b,c\in\mathbb R$,$a\ne0$。

看函数 $y=Q(x)$ 的图象:大于零看横轴上方,小于零看横轴下方;带等号,还要包括横轴上的点。解集就是这些部分对应的全部横坐标。

先用 $\Delta=b^2-4ac$ 判断交点个数,再看 $a$ 的正负确定开口。以下简图展示三种交点情况,重点看图象与横轴的相对位置。

整理后若二次项消去,就不再是一元二次不等式。含分母、根号时,还须保留原式的定义范围和变形条件。

两个交点

两根之间,还是两根外侧

$\Delta>0$ 时有两个实根 $x_1<x_2$。由求根公式,两根相加时根号项抵消,得到 $x_1+x_2=-\frac{b}{a}$;两根相乘用平方差,得到 $x_1x_2=\frac{b^2-\Delta}{4a^2}=\frac{c}{a}$。

展开两因子的乘积,再代入根的和与积:

$$(x-x_1)(x-x_2)=x^2+\frac ba x+\frac ca.$$

两边同乘 $a$,便还原为原二次式:

$$Q(x)=a(x-x_1)(x-x_2).$$

两根外侧,两个因子同号,乘积为正;两根之间,两个因子异号,乘积为负。$a>0$ 时保留符号,$a<0$ 时反转,图象正好呈现这种变化。

$a>0$ · 开口向上

开口向上,两个交点,图中展示代表性位置,根的位置不限于此xyOx₁x₂
两根外侧 $Q(x)>0$;
两根之间 $Q(x)<0$。

$a<0$ · 开口向下

开口向下,两个交点,图中展示代表性位置,根的位置不限于此xyOx₁x₂
两根之间 $Q(x)>0$;
两根外侧 $Q(x)<0$。

“之间”写成 $(x_1,x_2)$,“外侧”写成 $(-\infty,x_1)\cup(x_2,+\infty)$。严格不等式不取根;带等号时,把对应根处的圆括号改成方括号。

一个切点

碰到横轴,但不穿过

$\Delta=0$ 时只有一个不同的实根 $x_0=-\frac{b}{2a}$。配方后的常数项 $-\frac{\Delta}{4a}$ 为零,因此

$$Q(x)=a(x-x_0)^2.$$

平方只在 $x=x_0$ 时为零,其余位置为正。因此图象接触横轴,却不穿过它。

$a>0$ · 开口向上

开口向上,一个切点,图中展示代表性位置,根的位置不限于此xyx₀
除 $x_0$ 外都在横轴上方,
没有负值。

$a<0$ · 开口向下

开口向下,一个切点,图中展示代表性位置,根的位置不限于此xyx₀
除 $x_0$ 外都在横轴下方,
没有正值。

例如,开口向上时:$Q(x)>0$ 的解集是 $\mathbb R\setminus\{x_0\}$;$Q(x)\ge0$ 是 $\mathbb R$;$Q(x)<0$ 是 $\varnothing$;$Q(x)\le0$ 只取 $\{x_0\}$。开口向下时,正负方向对调。

没有交点

始终在横轴同一侧

$\Delta<0$ 时没有实根。由配方结果提出 $a$:

$$Q(x)=a\left[\left(x+\frac b{2a}\right)^2-\frac{\Delta}{4a^2}\right].$$

括号内是非负的平方加上正数,所以始终为正。$Q(x)$ 的符号就始终与 $a$ 相同。

$a>0$ · 开口向上

开口向上,没有交点,图中展示代表性位置,根的位置不限于此xyO
全部在横轴上方:
对所有实数 $x$,$Q(x)>0$。

$a<0$ · 开口向下

开口向下,没有交点,图中展示代表性位置,根的位置不限于此xyO
全部在横轴下方:
对所有实数 $x$,$Q(x)<0$。

所求正负与图象一致,解集就是 $\mathbb R$;相反则是 $\varnothing$。没有零点,所以加不加等号,解集都不变。

例题

把图象对应到解集

解 $-x^2+3x\ge2$。两边同减 $2$,得到 $-x^2+3x-2\ge0$;左边因式分解为

$$-x^2+3x-2=-(x-1)(x-2).$$

零点是 $1$、$2$,开口向下。取横轴上方的部分,又因为带等号,还要包括两个零点:

$y=-x^2+3x-2$

y=−x²+3x−2 的正值弧段和两个零点,对应闭区间 [1,2]xyO123-1-212
上方弧段投影到数轴,得到 $1\le x\le2$。实心端点表示 $1$、$2$ 都取到。

所以解集是 $[1,2]$。解题时只需理清:与零比较 → 找交点、看开口 → 取对应的横坐标 → 检查端点。