Квадратні нерівності. Метод інтервалів

Квадратна нерівність — це перший випадок, коли відповіддю стає не одне число й навіть не один проміжок, а їх об'єднання. Ключ до теми не алгебраїчний, а графічний: щойно ти уявляєш параболу й бачиш, де вона вище або нижче осі, відповідь читається з малюнка за кілька секунд. Метод інтервалів узагальнює цей самий підхід на добутки будь-якої кількості множників.

Знак квадратного тричлена

Розв'язати квадратну нерівність ax2+bx+c≷0ax^2 + bx + c \gtrless 0 означає знайти всі xx, при яких тричлен додатний (або від'ємний). Ключ — графік параболи y=ax2+bx+cy = ax^2+bx+c:

  • якщо a>0a > 0, вітки напрямлені вгору;
  • якщо a<0a < 0, вітки напрямлені вниз;
  • корені x1,x2x_1, x_2 (нулі тричлена) — точки перетину з віссю OxOx.

Між коренями і поза ними тричлен має різні знаки. Порухай корені й зміни знак нерівності:

Правило для віток угору

Якщо a>0a>0 і є два корені x1<x2x_1 < x_2, то: ax2+bx+c<0ax^2+bx+c < 0 між коренями (x1;x2)(x_1; x_2), а ax2+bx+c>0ax^2+bx+c > 0 — поза ними (−∞;x1)∪(x2;+∞)(-\infty; x_1)\cup(x_2; +\infty).

Ці два випадки легко запам'ятати одним образом: парабола з вітками вгору «провисає» під віссю саме між коренями. Тому знак «менше» дає один проміжок (між коренями), а знак «більше» — два промені. Якщо у твоїй відповіді вийшло навпаки, перевір напрям віток.

Приклад 1 — квадратна нерівність

Розв'яжемо x2−5x+6>0x^2 - 5x + 6 > 0.

  1. Знаходимо нулі тричлена: x2−5x+6=0x^2 - 5x + 6 = 0, за теоремою Вієта x1=2x_1 = 2, x2=3x_2 = 3;
  2. старший коефіцієнт a=1>0a = 1 > 0 — вітки вгору;
  3. знак «більше» означає «парабола вище осі», тобто поза коренями;
  4. записуємо відповідь: x∈(−∞; 2)∪(3; +∞)x \in (-\infty;\,2) \cup (3;\,+\infty).

Перевірка: візьмемо x=0x = 0 (з відповіді): 0−0+6=6>00 - 0 + 6 = 6 > 0 ✅. Візьмемо x=2,5x = 2{,}5 (не з відповіді): 6,25−12,5+6=−0,25>06{,}25 - 12{,}5 + 6 = -0{,}25 > 0 — хибно ✅.

Метод інтервалів

Для добутку кількох множників (x−x1)(x−x2)(x−x3)…(x-x_1)(x-x_2)(x-x_3)\dots зручний метод інтервалів:

  1. Знаходимо корені й позначаємо їх на числовій прямій — вони ділять її на проміжки.
  2. У найправішому проміжку добуток додатний (усі дужки додатні).
  3. При переході через кожен простий корінь знак чергується.
  4. Вибираємо проміжки з потрібним знаком.

Крок 2 має просте пояснення: якщо взяти дуже велике xx, більше за всі корені, то кожна дужка (x−xi)(x - x_i) додатна, отже й увесь добуток додатний. Далі рухаємося справа наліво: переходячи через корінь, рівно одна дужка змінює знак — тому змінюється й знак усього добутку.

Кратні корені знак не змінюють

Чергування працює лише для простих коренів. Якщо множник входить у парному степені, наприклад (x+3)2(x+3)^2, то при переході через x=−3x = -3 знак не змінюється: вираз (x+3)2(x−4)(x+3)^2(x-4) дає послідовність знаків «−, −, +», а не «−, +, −». Причина в тому, що квадрат невід'ємний завжди й знака добутку не псує.

Приклад 2 — метод інтервалів

Розв'яжемо (x+1)(x−2)(x−5)≤0(x + 1)(x - 2)(x - 5) \le 0.

  1. Корені: −1-1, 22, 55 — вони ділять пряму на чотири проміжки;
  2. у найправішому проміжку (5; +∞)(5;\,+\infty) добуток додатний;
  3. рухаючись уліво, знаки чергуються: (2; 5)(2;\,5) — мінус, (−1; 2)(-1;\,2) — плюс, (−∞; −1)(-\infty;\,-1) — мінус;
  4. потрібен знак «≤\le», тобто мінус разом із самими коренями (нерівність нестрога).

Відповідь: x∈(−∞; −1]∪[2; 5]x \in (-\infty;\,-1] \cup [2;\,5].

Випадок D<0D < 0

Якщо дискримінант від'ємний, коренів немає, і парабола не перетинає вісь OxOx — тричлен зберігає знак старшого коефіцієнта aa на всій прямій:

Тому, наприклад, нерівність x2+x+3>0x^2 + x + 3 > 0 виконується для будь-якого xx, а x2+x+3<0x^2 + x + 3 < 0 не має розв'язків.

Цей випадок часто трапляється в завданнях, де питають, за яких значень параметра нерівність виконується при всіх xx. Відповідь зазвичай зводиться саме до двох умов: a>0a > 0 і D<0D < 0.

Типові помилки

  • Плутають, де тричлен додатний, а де від'ємний. Малюй параболу — це надійніше за спроби запам'ятати правило.
  • Не враховують напрям віток. При a<0a < 0 усі знаки дзеркальні.
  • Чергують знак через кратний корінь. Парний степінь множника знак не змінює.
  • Плутають круглі й квадратні дужки. Строга нерівність виключає самі корені, нестрога — включає.
  • Вважають, що при D<0D < 0 розв'язків немає. Розв'язків немає лише для одного зі знаків; для протилежного розв'язком є вся числова пряма.

Перевір себе

Завдання формату НМТ

Завдання в тому вигляді, як їх дають на національному мультипредметному тесті: вибір однієї відповіді з п’яти (А–Д), установлення відповідності та коротка відповідь десятковим дробом. Там, де є позначка «Прототип», задачу побудовано за типом реального завдання НМТ минулих років; числа в умові щоразу нові.

  • Число — розв’язок квадратної нерівності

    Вибір А–Д

  • Розв’язок квадратної нерівності

    Вибір А–Д

  • Відповідність: нерівність із квадратом ↔ розв’язки

    Відповідність

  • Кількість цілих розв’язків квадратної нерівності

    Коротка відповідь

Приклади розв’язання завдань НМТ

Так розв’язують завдання формату НМТ із цієї теми — по одному прикладу на кожен формат: вибір відповіді, відповідність, коротка відповідь. У розділі «Завдання формату НМТ» числа щоразу нові, а тут кожен крок розписано.

  1. 1Розв’язок квадратної нерівності
    Вибір А–Д
    Розв’яжіть нерівність x2−x−30<0. x^2 - x - 30 < 0.
    • А(−6; 5)(-6;\ 5)
    • Б(−∞; −5]∪[6; +∞)(-\infty;\ -5] \cup [6;\ +\infty)
    • В(−5; 6)(-5;\ 6)
    • Г[−5; 6][-5;\ 6]
    • Д(−∞; −5)∪(6; +∞)(-\infty;\ -5) \cup (6;\ +\infty)
    Знайдіть корені тричлена; гілки параболи напрямлені вгору, тож від’ємні значення — між коренями.
    Показати розв’язання
    1. 1
      x2−x−30=(x+5)(x−6)x^2 - x - 30 = (x + 5)(x - 6)
    2. 2
      x∈(−5; 6)x \in (-5;\ 6)
    Відповідь: В) (−5; 6) (-5;\ 6)
  2. 2Відповідність: нерівність із квадратом ↔ розв’язки
    Відповідність
    Установіть відповідність між нерівністю (1–3) та множиною її розв’язків (А–Д).
    А∅\varnothing
    Б(−∞; −2)∪(2; +∞)(-\infty;\ -2) \cup (2;\ +\infty)
    В{0}\{0\}
    Г(−∞; 0)∪(0; +∞)(-\infty;\ 0) \cup (0;\ +\infty)
    Д(−∞; +∞)(-\infty;\ +\infty)
    • 1.x2>4x^2 > 4
    • 2.x2<0x^2 < 0
    • 3.x2≥0x^2 \ge 0
    x2≥0x^2 \ge 0 для будь-якого x x, а x2=0 x^2 = 0 лише при x=0. x = 0.
    Показати розв’язання
    1. 1
      1 — Б: x2>4⇔x∈(−∞; −2)∪(2; +∞) x^2 > 4 \Leftrightarrow x \in (-\infty;\ -2) \cup (2;\ +\infty)
    2. 2
      2 — А: x2<0⇔x∈∅ x^2 < 0 \Leftrightarrow x \in \varnothing
    3. 3
      3 — Д: x2≥0⇔x∈(−∞; +∞) x^2 \ge 0 \Leftrightarrow x \in (-\infty;\ +\infty)
    Відповідь:
    • 1 — Б: x2>4  →  (−∞; −2)∪(2; +∞) x^2 > 4 \;\to\; (-\infty;\ -2) \cup (2;\ +\infty)
    • 2 — А: x2<0  →  ∅ x^2 < 0 \;\to\; \varnothing
    • 3 — Д: x2≥0  →  (−∞; +∞) x^2 \ge 0 \;\to\; (-\infty;\ +\infty)
  3. 3Кількість цілих розв’язків квадратної нерівності
    Коротка відповідь
    Скільки цілих розв’язків має нерівність x2+8x+12<0 ? x^2 + 8x + 12 < 0\,?
    Знайдіть корені тричлена — розв’язки лежать між ними.
    Показати розв’язання
    1. 1
      x∈(−6; −2)x \in (-6;\ -2); цілих чисел: 3 3
    Відповідь: 33