第4章 不等式與解集
「至多5件」與「少於5件」不同:前者允許5,後者不允許。不等式也要保留這種邊界差別。求解不只是在最後寫出一個數,而是指出哪些值符合條件、哪些端點包含在內。
本章純代數問題的未知數取實數。先備是前三章的式子整理、同解操作與回查。圖中的數線只畫有限視窗,兩端箭頭不把實數限制成有限個刻度。
4.1 大小關係與端點
x<3表示x嚴格小於3,不能取3;x≤3則可以取3。相應地,x>3與x≥3也有相同的端點差別。
區間(−∞,3)表示所有小於3的實數;(−∞,3]包含3。圓括號排除有限端點,方括號包含有限端點。∞與−∞在這裡不是實數,所以不把它們寫成包含端點的方括號。
兩邊同加或同減一個量,大小方向不變。兩邊同乘或同除正數,方向也不變;若乘除的是負數,方向必須反過來。例如1<2,但同乘−1後,−1>−2。
這不是只靠這個例子訂規則。對a<b,差b−a是正數;乘上正數仍為正,乘上負數則為負,正是順序需要保留或反轉的原因。若乘0,原來的嚴格大小差別會消失,不能用它作一般的同解操作。
例題1 解3x−2<7
- 兩邊同加2,得到3x<9。
- 3是正數,兩邊同除3,方向不變,得到x<3。
- 每一步都可用相反的合法操作回去,所以解集是(−∞,3)。
- 用邊界檢查:x=3時,左邊7不嚴格小於7,因此不包含3;取x=0,左邊−2<7,確實在解集中。
檢查幾個值不是逐一窮盡整條數線;全部解由上面的同解步驟得到。
4.2 除以負數要改變方向
例題2 解−2x+5≥11
- 兩邊同減5,得到−2x≥6。
- 除數−2是負數,兩邊同除−2時,把≥改成≤。
- 得到x≤−3,解集為(−∞,−3]。
- x=−3使左邊11等於右邊11,所以包含端點。
- 取x=−4,左邊8+5=13≥11;取x=−2,左邊4+5=9,不符合條件。
反向從x≤−3同乘−2,方向變回≥,得到−2x≥6,再同加5回到原式。
4.3 兩個條件要分清楚且與或
−1<2x+3≤7要求兩個比較同時成立。「且」取共同部分;「或」只要至少一個條件成立,取兩部分的聯集。
例題3 解−1<2x+3≤7
- 把它看成−1<2x+3,且2x+3≤7。
- 三部分同減3,得到−4<2x≤4;這等於對兩個不等式都做同減3。
- 同除正數2,兩個方向都不變,得到−2<x≤2。
- 解集為(−2,2]。x=−2使中間值等於−1,違反左邊的嚴格小於;x=2使中間值等於7,符合右邊的≤。
- 每個條件都可逆,因此共同保留的範圍正是全部解。
若題目是x<−1或x≥2,中間不是要「同時小於−1又大於等於2」,而是保留左側與右側兩段。讀錯連接詞,就會把非空的聯集誤判成沒有解。
4.4 本章回顧
先讀嚴格與非嚴格符號,再逐步做兩邊同運算;負數乘除一定檢查方向。寫出解集後,逐一核對端點是否包含,以及多個條件是且還是或。
4.5 練習
- B02-C04-Q01 解x+4≤9,說明端點是否包含。
- B02-C04-Q02 解5x>15。
- B02-C04-Q03 解−3x<6。
- B02-C04-Q04 解7−2x≤1。
- B02-C04-Q05 解2(x−1)≥x+3。
- B02-C04-Q06 解1≤3x+4<10。
- B02-C04-Q07 用區間表示x<−1或x≥2,判斷−1與2是否在解集中。
- B02-C04-Q08 有人把−2x≤6整理成x≤−3。用x=0檢查,再寫出正確解集。
4.6 完整解答
Q01
兩邊同減4,得到x≤5,所以解集是(−∞,5]。代入5得到9≤9,端點包含;減4可用加4回去,因此沒有漏解。
Q02
5是正數,同除5不改方向,得到x>3,解集是(3,∞)。代入3只有15=15,不符合嚴格大於,所以排除3。
Q03
同除負數−3時,把<改成>,得到x>−2,解集為(−2,∞)。例如x=0使0<6成立;端點−2使6<6不成立。
Q04
- 兩邊同減7,得到−2x≤−6。
- 同除−2並反轉方向,得到x≥3。
- 解集是[3,∞)。回代3,左邊7−6=1,符合≤1。
Q05
先展開為2x−2≥x+3;兩邊同減x,得x−2≥3;再同加2,得x≥5。解集為[5,∞)。展開及加減都可逆;代入5,原兩邊都等於8。
Q06
三部分同減4,得−3≤3x<6;同除正數3,得−1≤x<2。解集為[−1,2):左端可以等於,右端不可以等於。
Q07
解集是(−∞,−1)與[2,∞)的聯集。−1不在左段,也不在右段,所以排除;2在右段,因此包含。0位於兩段之外,因此不在解集中。一般地,不在這個聯集內的實數恰好滿足−1≤x<2:它既不滿足x<−1,也不滿足x≥2,所以都不是解。這個整段判定來自原條件的「或」,不是只憑x=0這一個代入值推廣。
Q08
x=0時,原式是0≤6,成立;錯誤結果卻要求0≤−3,不成立,表示那一步沒有保留原解。正確同除−2必須反轉方向,得到x≥−3,解集為[−3,∞)。