Краткое содержание
В этом уроке мы учимся определять знак многочлена и частного многочленов по их разложению на множители, оформляя исследование в виде таблицы знаков. Урок изучает роль кратности корней и неприводимых квадратных множителей, различает среди нулей знаменателя вертикальные асимптоты и устранимые точки, давая первое интуитивное представление о пределе, и применяет метод к решению многочленных и рациональных неравенств, строгих и нестрогих, а также к нахождению областей определения функций с частными и корнями, включая вложенные корни. Это первый из трёх уроков, посвящённых области определения, множеству значений и графику алгебраических функций.
Цели обучения
- Строить таблицу знаков разложенного на множители многочлена с учётом кратности каждого корня и неприводимых квадратных множителей.
- Определять знак частного многочленов и распознавать среди нулей знаменателя вертикальные асимптоты и устранимые точки.
- Решать многочленные и рациональные неравенства, строгие и нестрогие, не умножая на выражения неизвестного знака.
- Находить область определения функций с частными и корнями, включая вложенные корни, с помощью таблиц знаков.
- Сводить к неравенствам прикладные задачи, например о продолжительности поездки, о действии лекарства или о конструкции упаковки, и решать их с помощью таблиц знаков.
Знак многочлена
Многие вопросы о функции сводятся к тому, чтобы знать, где выражение положительно, отрицательно или равно нулю: область определения квадратного корня требует неотрицательного подкоренного выражения, неравенство спрашивает, где выражение положительно, а график функции лежит выше оси в точности там, где функция положительна. Инструмент, отвечающий на этот вопрос, называется таблицей знаков, а исходным материалом для неё служит разложение на множители, изученное в уроке о разложении квадратного трёхчлена.
Знак линейного множителя
Линейный множитель , где , обращается в нуль только при и имеет постоянный знак по каждую сторону от этой точки. Если , он отрицателен слева и положителен справа; если , наоборот. Например, положительно в точности тогда, когда , а в точности тогда, когда :
Пусть есть многочлен степени с корнем . Если , то положителен в точности тогда, когда , и отрицателен в точности тогда, когда ; если , он положителен в точности тогда, когда , и отрицателен в точности тогда, когда .
Используются правила действий с неравенствами, доказанные в уроке о числовой прямой, и лемма о знаке произведения из урока об алгебраических функциях.
Доказательство
Выносим за скобки: линейный множитель равен , умноженному на разность , которая положительна в точности тогда, когда , равна нулю при и отрицательна в точности тогда, когда .
По лемме о знаке произведения положительно в точности тогда, когда и имеют один и тот же знак. Если , это происходит в точности тогда, когда .
Если , произведение положительно в точности тогда, когда отрицательно, то есть когда ; и в обоих случаях произведение отрицательно в точности тогда, когда знаки противоположны.
Таблица знаков произведения
Предположим, что многочлен записан в виде произведения линейных множителей. Числа, в которых обращается в нуль какой-либо множитель, называются критическими точками; упорядоченные от меньшего к большему, они разбивают числовую прямую на открытые промежутки. Но каждый из этих промежутков целиком лежит по одну сторону от корня каждого множителя, так что, по лемме о знаке линейного множителя, ни один множитель не меняет знака внутри него; отсюда следует, что и произведение имеет постоянный знак на каждом промежутке. Этот знак даёт правило знаков, которое распространяет на множителей лемму о знаке произведения двух множителей, доказанную в уроке об алгебраических функциях. Это обобщение доказывается по индукции, как в уроке о суммах, прогрессиях и индукции.
Произведение ненулевых действительных множителей отлично от нуля; оно отрицательно, если число его отрицательных множителей нечётно, и положительно, если чётно.
Пусть есть ненулевые действительные числа и есть их произведение. Рассуждаем по индукции по числу множителей. Рисунок показывает множители в один ряд и под каждым из них знак произведения, накопленного до него.
Доказательство
По лемме о знаке произведения двух множителей произведение ненулевого действительного числа на ненулевое действительное число не равно нулю; если положительно, оно имеет знак , а если отрицательно, противоположный знак.
Базовый случай: если , произведение есть сам множитель, который отрицателен в точности тогда, когда имеется один отрицательный множитель, а нечётно.
Предположение индукции: отрицательно, если число его отрицательных множителей нечётно, и положительно, если чётно. Добавим ещё один множитель.
Если положительно, знак произведения не меняется, и число отрицательных множителей не меняется: правило выполняется для множителей.
Если отрицательно, знак меняется на противоположный, а число отрицательных множителей увеличивается на единицу, что меняет его чётность. Правило также выполняется, и по принципу математической индукции оно верно для всякого .
Таблица знаков упорядочивает это рассуждение. Её столбцы суть промежутки, определяемые критическими точками; в ней есть по одной строке для каждого множителя и последняя строка для произведения, которая заполняется столбец за столбцом по правилу знаков. В каждой критической точке ставится в строках тех множителей, которые обращаются в нуль, а также в строке произведения.
Определить знак многочлена в каждой точке числовой прямой.
Доказательство
Критические точки суть корни трёх множителей. Они разбивают прямую на четыре промежутка, которые и являются столбцами таблицы.
Множитель обращается в нуль при ; он отрицателен слева от этой точки и положителен справа.
Множитель меняет знак в точке .
Множитель меняет знак в точке .
В каждом столбце считаем отрицательные множители: три, два, один и ни одного. Произведение отрицательно, когда их число нечётно.
В остальных столбцах произведение положительно, а в трёх критических точках обращается в нуль. График это подтверждает: кривая лежит выше оси в точности на этих промежутках и пересекает её в каждой критической точке.
Кратность и неприводимые множители
Не всякий многочлен раскладывается на различные линейные множители. Как было показано в уроке о корнях многочленов высших степеней, есть корень кратности , если многочлен равен , умноженному на другой многочлен, не обращающийся в нуль в точке , и эта кратность определяется повторным синтетическим делением; в таблице соответствующим множителем является . С другой стороны, по теореме о знаке дискриминанта, доказанной в уроке о разложении квадратного трёхчлена, квадратный множитель с отрицательным дискриминантом неприводим и не имеет действительных корней. Предложение, приведённое ниже, говорит, какую роль каждый из них играет в таблице.
Знак разложенного на множители многочлена меняется при переходе через критическую точку тогда и только тогда, когда кратность этого корня нечётна. Неприводимые квадратные множители имеют постоянный знак, совпадающий со знаком их старшего коэффициента, и их можно отбросить в неравенстве, когда они положительны, поскольку деление на положительное число сохраняет неравенство.
Пусть есть корень кратности многочлена . Рисунок сопровождает доказательство при и дополнительном множителе , а в конце с неприводимым множителем .
Доказательство
Запишем , выделив множитель, соответствующий . Между и ближайшей критической точкой многочлена ни один множитель не обращается в нуль, и по правилу знаков имеет постоянный знак по обе стороны от .
Если чётно, есть квадрат ненулевого числа по обе стороны от и потому положительно: имеет там знак , который не меняется.
Если нечётно, есть , умноженное на положительный квадрат, и имеет знак , который меняется в точке : по правилу знаков меняет знак при переходе через .
Если , то в форме с выделенным полным квадратом квадратные скобки содержат квадрат плюс положительное число: множитель всегда имеет знак , не даёт критических точек, и если , деление на него сохраняет направление неравенства.
Определить, где положителен и где неотрицателен многочлен .
Доказательство
Критические точки суть , двукратный корень, и . Квадратный множитель не даёт ни одной, поскольку его дискриминант отрицателен.
Множитель есть квадрат: он обращается в нуль при и положителен по обе стороны.
Множитель имеет отрицательный старший коэффициент: он положителен слева от .
Неприводимый множитель положителен во всех столбцах, как показывает выделенный полный квадрат.
По правилу знаков получаем строку : знак не меняется в точке , корне чётной кратности, и меняется в точке . Нестрогое неравенство включает оба нуля.
Строгое неравенство исключает нули , в том числе нуль в точке , хотя по обе стороны от него многочлен положителен.
Загрузка содержимого…