Неравенство - это запись, в которой числа, переменные или выражения соединены знаком <, >, ⩽ или ⩾. То есть неравенством можно назвать сравнение чисел, переменных или выражений. Знаки < , > , ⩽ и ⩾ называются знаками неравенства .
Виды неравенств и как они читаются:
Как видно из примеров, все неравенства состоят из двух частей: левой и правой, соединённых одним из знаков неравенства. В зависимости от знака, соединяющего части неравенств, их делят на строгие и нестрогие.
Строгие неравенства - неравенства, у которых части соединены знаком < или >. Нестрогие неравенства - неравенства, у которых части соединены знаком ⩽ или ⩾.
Рассмотрим основные правила сравнения в алгебре:
a - b > 0,
То a больше b (a > b ).
a - b < 0,
То a меньше b (a < b ).
a > 0, значит a - положительное число.
a < 0, значит a - отрицательное число.
Равносильные неравенства - неравенства, являющиеся следствием другого неравенства. Например, если a меньше b , то b больше a :
a < b и b > a - равносильные неравенства
если a > b , то a + c > b + c и a - c > b - c
Из этого следует, что можно переносить члены неравенства из одной части в другую с противоположным знаком. Например, прибавив к обеим частям неравенства a - b > c - d по d , получим:
a - b > c - d
a - b + d > c - d + d
a - b + d > c
Это свойство можно использовать для изменения знаков у всех членов неравенства, умножая обе его части на -1 и изменяя знак неравенства на противоположный:
-a + b > -c
(-a + b ) · -1 < (-c ) · -1
a - b < c
Неравенство -a + b > -c равносильно неравенству a - b < c
Поле действительных чисел обладает свойством упорядоченности (п. 6, стр. 35): для любых чисел а, b имеет место одно и только одно из трех соотношений: или . При этом запись а > b означает, что разность положительна, а запись разность отрицательна. В отличие от поля действительных чисел, поле комплексных чисел не упорядочивается: для комплексных чисел понятия «больше» и «меньше» не определяются; поэтому в данной главе рассматриваются только действительные числа.
Соотношения назовем неравенствами, числа а и b - членами (или частями) неравенства, знаки > (больше) и Неравенства а > b и с > d называются неравенствами одинакового (или одного и того же) смысла; неравенства а > b и с Из определения неравенства сразу следует, что
1) любое положительное число больше нуля;
2) любое отрицательное число меньше нуля;
3) любое положительное число больше любого отрицательного числа;
4) из двух отрицательных чисел больше то, абсолютная величина которого меньше.
Все эти утверждения допускают простое геометрическое истолкование. Пусть положительное направление числовой оси идет вправо от начальной точки; тогда, каковы бы ни были знаки чисел, большее из них изображается точкой, лежащей правее точки, изображающей меньшее число.
Неравенства обладают следующими основными свойствами.
1. Несимметричность (необратимость): если , то , и обратно.
Действительно, если разность положительна, то разность отрицательна. Говорят, что при перестановке членов неравенства надо смысл неравенства изменить на противоположный.
2. Транзитивность: если , то . Действительно, из положительности разностей следует и положительность
Кроме знаков неравенства применяют также знаки неравенства и Они определяются следующим образом: запись означает, что либо либо Поэтому, например, можно писать , а также . Обычно неравенства, записанные с помощью знаков называют строгими неравенствами, а записанные с помощью знаков нестрогими неравенствами. Соответственно и сами знаки называют знаками строгого или нестрогого неравенства. Свойства 1 и 2, рассмотренные выше, верны и для нестрогих неравенств.
Рассмотрим теперь действия, которые можно производить над одним или несколькими неравенствами.
3. От прибавления к членам неравенства одного и того же числа смысл неравенства не изменяется.
Доказательство. Пусть даны неравенство и произвольное число . По определению разность положительна. Прибавим к этому числу два противоположных числа от чего оно не изменится, т. е.
Это равенство можно переписать так:
Из этого следует, что разность положительна, т. е. что
а это и надо было доказать.
На этом основана возможность перекоса любого члена неравенства из одной его части в другую с противоположным знаком. Например, из неравенства
следует, что
4. При умножении членов неравенства на одно и то же положительное число смысл неравенства не изменяется; при умножении членов неравенства на одно и то же отрицательное число смысл неравенства изменяется на противоположный.
Доказательство. Пусть тогда Если то так как произведение положительных чисел положительно. Раскрыв скобки в левой части последнего неравенства, получим , т. е. . Аналогичным образом рассматривается случай .
Точно такой же вывод можно сделать и относительно деления частей неравенства на какое-либо отличное от нуля число, так как деление на число равносильно умножению на число а числа имеют одинаковые знаки.
5. Пусть члены неравенства положительны. Тогда при возведении его членов в одну и ту же положительную степень смысл неравенства не изменяется.
Доказательство. Пусть этом случае по свойству транзитивности и . Тогда в силу монотонного возрастания степенной функции при и положительном будем иметь
В частности, если где -натуральное число, то получим
т. е. при извлечении корня из обеих частей неравенства с положительными членами смысл неравенства не изменяется.
Пусть члены неравенства отрицательны. Тогда нетрудно доказать, что при возведении его членов в нечетную натуральную степень смысл неравенства не изменится, а при возведении в четную натуральную степень изменится на противоположный. Из неравенств с отрицательными членами можно также извлекать корень нечетной степени.
Пусть, далее, члены неравенства имеют разные знаки. Тогда при возведении его в нечетную степень смысл неравенства не изменится, а при возведении в четную степень о смысле получающегося неравенства ничего определенного в общем случае сказать нельзя. В самом деле, при возведении числа в нечетную степень знак числа сохраняется и поэтому смысл неравенства не изменяется. При возведении же неравенства в четную степень образуется неравенство с положительными членами, и его смысл будет зависеть от абсолютных величин членов исходного неравенства может получиться неравенство того же смысла, что и исходное, неравенство противоположного смысла и даже равенство!
Все сказанное о возведении неравенств в степень полезно проверить на следующем примере.
Пример 1. Возвести в указанную степень следующие неравенства, изменив в случае необходимости знак неравенства на противоположный или на знак равенства.
а) 3 > 2 в степень 4; б) в степень 3;
в) в степень 3; г) в степень 2;
д) в степень 5; е) в степень 4;
ж) 2 > -3 в степень 2; з) в степень 2,
6. От неравенства можно перейти к неравенству между если члены неравенства оба положительны или оба отрицательны, то между их обратными величинами имеется неравенство противоположного смысла:
Доказательство. Если а и b - одного знака, то их произведение положительно. Разделим на неравенство
т. е. , что и требовалось получить.
Если члены неравенства имеют противоположные знаки, то неравенство между их обратными величинами имеет тот же смысл, так как знаки обратных величин те же, что и знаки самих величин.
Пример 2. Проверить последнее свойство 6 на следующих неравенствах:
7. Логарифмирование неравенств можно производить лишь в случае, когда члены неравенств положительны (отрицательные числа и нуль логарифмов не имеют).
Пусть . Тогда при будет
а при будет
Правильность этих утверждений основана на монотонности логарифмической функции, которая возрастает, если основание и убывает при
Итак, при логарифмировании неравенства, состоящего из положительных членов, по основанию, большему единицы, образуется неравенство того же смысла, что и данное, а при логарифмировании его по положительному основанию, меньшему единицы, - неравенство противоположного смысла.
8. Если , то если , но , то .
Это сразу следует из свойств монотонности показательной функции (п. 42), которая возрастает в случае и убывает, если
При почленном сложении неравенств одного и того же смысла образуется неравенство того же смысла, что и данные.
Доказательство. Докажем это утверждение для двух неравенств, хотя оно верно для любого количества складываемых неравенств. Пусть даны неравенства
По определению числа будут положительными; тогда положительной оказывается и их сумма, т. е.
Группируя иначе слагаемые, получим
и, следовательно,
а это и надо было доказать.
Нельзя сказать Ничего определенного в общем случае о смысле неравенства, получающегося при сложении двух или нескольких неравенств разного смысла.
10. Если из одного неравенства почленно вычесть другое неравенство противоположного смысла, то образуется неравенство того же смысла, что и первое.
Доказательство. Пусть даны два неравенства разного смысла. Второе из них по свойству необратимости можно переписать так: d > с. Сложим теперь два неравенства одинакового смысла и получим неравенство
того же смысла. Из последнего находим
а это и надо было доказать.
Нельзя сказать ничего определенного в общем случае о смысле неравенства, получающегося при вычитании из одного неравенства другого неравенства того же смысла.
Системой неравенств принято называть запись нескольких неравенств под знаком фигурной скобки (при этом число и вид неравенств, входящих в систему, может быть произвольным).
Чтобы решить систему, необходимо найти пересечение решений всех входящих в неё неравенств. Решением неравенства в математике называется всякое значение переменой, при котором данное неравенство верно. Другими словами, требуется найти множество всех его решений – оно и будет называться ответом. В качестве примера попробуем научиться решать систему неравенств методом интервалов.
Для решения поставленной задачи важно знать основные свойства, присущие неравенствам, которые можно сформулировать следующим образом:
Чтобы решить систему неравенств, нужно решить каждое неравенство отдельно, а затем сопоставить их. В результате будет получен положительный или отрицательный ответ, который означает, имеет ли система решение или нет.
При решении системы неравенств математики часто прибегают к методу интервалов, как к одному из наиболее эффективных. Он позволяет свести решение неравенства f(x) > 0 (<, <, >) к решению уравнения f(x) = 0.
Суть метода заключается в следующем:
1 . Если a > b , то b < a ; наоборот, если а < b , то b > a .
Пример . Если 5х – 1 > 2x + 1 , то 2х +1< 5x — 1 .
2 . Если a > b и b > с , то а > с . Точно так же, а < b и b < с , то a < с .
Пример . Из неравенств x > 2у , 2y > 10 следует, что x >10 .
3 . Если a > b, то a + c > b + с и a – c > b — c . Если же а < b , то а + с и a — c, т.е. к обеим частям неравенства можно прибавить (или вычесть) одну и ту же величину
Пример 1 . Дано неравенство х + 8>3 . Вычитая из обеих частей неравенства число 8, находим х > — 5 .
Пример 2 . Дано неравенство х – 6 < — 2 . Прибавляя обеим частям 6, находим х < 4 .
4 . Если a > b и с > d, то a + c >b + d ; точно так же если а < b и с < d , то a + с < b + d , т. е. два неравенства одинакового смысла) можно почленно складывать. Это справедливо и для любого числа неравенств, например, если a1 > b1, a2 > b2, a3 > b3 , то a1 + a2 + a3 > b1+b2 +b3 .
Пример 1 . Неравенства — 8 > — 10 и 5 > 2 верны. Складывая их почленно, находим верное неравенство — 3 > — 8 .
Пример 2 . Дана система неравенств (1/2)х + (1/2)у < 18 ; (1/2)х — (1/2)у < 4 . Складывая их почленно, находим x < 22 .
Замечание. Два неравенства одинакового смысла нельзя почленно вычитать друг из друга, так как результат может быть верным, но может быть и неверным. Например, если из неравенства 10 > 8 2 > 1 , то получим верное неравенство 8 > 7 но если из того же неравенства 10 > 8 почленно вычесть неравенство 6 > 1 , то получим нелепость. Сравнить следующий пункт.
5 . Если a > b и c < d , то а – с > b – d ; если а < b и с — d , то а — с < b — d , т. е. из одного неравенства можно почленно вычесть другое неравенство противоположного смысла), оставляя знак того неравенства, из которого вычиталось другое.
Пример 1 . Неравенства 12 < 20 и 15 > 7 верны. Вычитая почленно второе из первого и оставляя знак первого, получаем верное неравенство — 3 < 13 . Вычитая почленно первое из второго и оставляя знак второго, находим верное неравенство 3 > — 13 .
Пример 2 . Дана система неравенств (1/2)х + (1/2)у < 18; (1/2)х — (1/2)у > 8 . Вычитая из первого неравенства второе, находим y < 10 .
6 . Если а > b и m - положительное число, то ma > mb и a/n > b/n , т. е. обе части неравенства можно разделить или умножить на одно и то же положительное число (знак неравенства остается тем же).Если же a > b и n — отрицательное число, то na < nb и a/n < b/n , т. е. обе части неравенства можно умножить или разделить на одно и то же отрицательное число, но при том знак неравенства нужно изменить на противоположный.
Пример 1 . Разделив обе части верного неравенства 25 > 20 на 5 , получим верное неравенство 5 > 4 . Если же мы делим обе части неравенства 25 > 20 на — 5 , то нужно переменить знак > на < , и тогда получим верное неравенство — 5 < — 4 .
Пример 2 . Из неравенства 2х < 12 следует, что х < 6 .
Пример 3 . Из неравенства -(1/3)х — (1/3)х > 4 следует, что x < — 12 .
Пример 4 . Дано неравенство х/к > у/l ; из него следует, что lx > ky , если знаки чисел l и k одинаковы, и что lx < ky , если знаки чисел l и k противоположны.