86083 (Уравнения и неравенства с модулем на централизованном тестировании), страница 2

Пусть заданы --- точки смены формул. Функция , определенная при всех , называется кусочно-линейной, если она линейная на каждом интервале , , , ..., , т. е.

где обозначено , .

Если к тому же выполнены условия согласования

то рассматриваемая кусочно-линейная функция непрерывна. Непрерывная кусочно-линейная функция называется также линейным сплайном.

Подобный график изображен на рисунке Error: Reference source not found:

pics/ex1.eps

Функцию с графиком, показанным на этом рисунке, можно задать и одной и тремя формулами:

Однако нетрудно заметить, что эту же функцию можно задать и одной формулой, используя модули: . Оказывается, что и любую непрерывную кусочно-линейную функцию вида (1) можно задать некоторой формулой вида

11()

где числа , , , ..., легко найти по графику данной функции.

Заметим, что две ломанные с бесконечными крайними звеньями и одинаковыми абсциссами вершин , , ..., совпадают, если у них равны угловые коэффициенты всех ``одноименных'' звеньев и имеется общая точка. Иными словами, знание угловых коэффициентов всех звеньев и координат одной точки такой ломаной на основе указанной информации, при котором данная точка берется за исходную, см. рисунок Error: Reference source not found.

pics/ex2.eps

Отмеченный факт мы и положим в основу получения формулы для непрерывной кусочно-линейной функции, заданной своим графиком. Напомним, что равняется , если , и , если . Поэтому на каждом из промежутков , , ..., , на которые числовая прямая разбивается точками, функция, определяемая формулой (1), будет линейная (как сумма линейных функций), и для нахождения углового коэффициента соответствующего звена ломанной достаточно найти коэффициент при после раскрытия всех модулей в выражении (1) на соответствующих этим звеньям промежутках, находим:

22()

Вычитая из второго равенства первое, получаем вычитая из третьего второе, получаем и т. д. Мы приходим в итоге к соотношениям

Складывая первое равенство с последним, получаем откуда

33()

Обратно, нетрудно проверить, что из равенств (3) и (3) вытекают соотношения (2).

Итак, если коэффициенты определяются формулами (3) и (3), то угловые коэффициенты всех звеньев графика функции (1) совпадают с соответствующими угловыми коэффициентами заданного графика и, значит, остается обеспечить всего одну общую точку этих ломанных для их совпадения.

Этого всегда можно добиться выбором подходящего значения оставшегося пока не определенным коэффициента . С этой целью достаточно подставить в формулу (1), коэффициенты которой уже вычислены из соотношений (3) и (3), координаты какой-либо одной точки данной ломаной и найти из полученного равенства.

Пример 5 Найдем уравнение ломаной, изображенной на рисунке Error: Reference source not found (треугольный импульс).

pics/ex3.eps

Решение. Угловые коэффициенты звеньев таковы: , , , . Поэтому .

Значит, уравнение данной ломаной имеет вид

Найдем значение коэффициента из условия , подставляя координаты вершины (0; 1) нашей ломаной в уравнение, получим , откуда находим, , и уравнение окончательно запишем в виде

Примеры решения задач, использующих свойства модуля

Пример 6 В некотором лесу расстояние между любыми двумя деревьями не превосходит разности их высот. Все деревья имеют высоту меньше 100 м. Докажите, что этот лес можно огородить забором длиной 200 м.

Решение. Пусть деревья высотой растут в точках . Тогда по условию . Следовательно, длина ломаной не превосходит м. Эту ломаную можно огородить забором, длина которого не превосходит 200 м (см. рис. Error: Reference source not found).

Пример 7 На отрезке числовой оси расположены четыре точки: , , , . Докажите, что найдётcя точка , принадлежащая , такая, что .

Решение. Точки , , , делят отрезок не более чем на пять частей; хотя бы одна из этих частей является интервалом длины не меньше . Возьмём за центр этого интервала. Расстояние от до концов этого интервала не меньше , а до других точек из числа , , , --- больше . Поэтому два из чисел , , , не меньше , а остальные два строго больше . Так что все обратные величины не больше 10, а две из них строго меньше 10. Тогда сумма обратных величин меньше 40, что и требуется.

Пример 8 Два тела начинают одновременно двигаться равномерно по прямым и , пересекающимися под прямым углом. Первое тело движется со скоростью 3 км/ч по прямой от точки к точке , находящейся на расстоянии 2 км от точки . Второе тело движется со скоростью 4 км/ч по прямой от точки к точке , находящейся на расстоянии 3 км от точки . Найти наименьшее расстояние (в км) между этими телами во время движения.

Решение. Через часов первое тело будет находится от точки на расстоянии км, а второе --- на расстоянии км. По теореме Пифагора расстояние между телами составит . км.

Ответ. км.

Пример 9 Пункты и расположены на прямолинейной магистрали в 9 км друг от друга. Из пункта в направлении пункта выходит автомашина, двигающаяся равномерно со скоростью 40 км/ч. Одновременно из пункта в том же направлении с постоянным ускорением 32 км/ч выходит мотоцикл. Найти наибольшее расстояние между машиной и мотоциклом в течении первых двух часов движения.

Решение. Расстояние между автомобилем и мотоциклом через часов составит . .

Ответ. 16 км.

Пример 10 Из пункта в пункт вышел пешеход. Не позже чем через 40 мин вслед за ним вышел второй. Известно, что в пункт один из них пришел раньше другого не менее, чем на 1 час. Если бы пешеходы вышли одновременно, то они бы пришли в пункт с интервалом не более чем в 20 мин. Определить, сколько времени требуется каждому пешеходу на путь от до , если скорость одного из них в 1,5 раза больше скорости другого.

Решение. Пусть и (мин) --- время, затраченное соответственно первым и вторым пешеходом на путь из в , и пусть второй пешеход вышел позже первого на минут. Рассмотри 2 возможности 1) и 2) . В случае имеем равенство и систему

Из первого и третьего неравенства получим , учитывая второе условие получим, что , и это в свою очередь дает равенства и . Т.о. , , .

В случае имеем и сиcтему

Но так как , то система не совместна, и, следовательно, случай 2 не может иметь места.

Ответ. , , .

Пример 11 По расписанию автобус должен проходить путь , состоящий из отрезков , , длиной 5, 1, 4 км соответственно, за 1 час. При этом выезжая из пункта в 10 ч, он проходит пункт в 10 ч 10 мин, пункт в 10ч 34 мин. С какой скоростью должен ехать автобус, чтобы время за которое автобус проходит половину пути от до (со скоростью ), сложенное с суммой абсолютных величинотклонения от расписания при прохождении пунктов и , превышало абсолютную величину отклонения от расписания при прохождении пункта не более, чем на 28 мин.

Решение. Условие задачи приводит к системе

которая имеет единственное решение .

Ответ. 30 км/ч.

Пример 12 Согласно расписанию катер проходит по реке, скорость течения которой 5 км/ч, путь из в длиной 15 км за 1 час. При этом выходя из пункта в 12ч, он прибывает в пункты и , отстоящие от на растояние 11 км и 13 км соответственно, в 12 ч 20 мин и в 12 ч 40 мин. Известно, что если бы катер двигался из в без остановок с постоянной скоростью (относительно воды), то сумма абсолютных величин отклонений от расписания прибытия в пункты , , не превышало бы уменьшенного на полчаса времени, необходимого катеру для прохождения 5 км со скоростью в стоячей воде. Какой из пунктов находится выше по течению: или ?

Решение. Рассмотрим 2 случая 1) пункт находится выше по течению 2) пункт находится ниже по течению.

В первом случае получаем систему

которая не имеет решения. Тогда выполняется второй случай.

Ответ. .

Пример 13 Даны три квадратных трехчлена: , и . Докажите, что уравнение имеет не более восьми корней.

Решение. Каждый корень данного уравнения является корнем одного из квадратных трехчленов , , с некоторым набором знаков. Таких наборов 8, и все они дают действительно квадратные трехчлены, так как коэффициент при имеет вид , т.е. отличен от нуля. Однако двум противоположным наборам знаков соответствуют квадратные уравнения, имеющие одни и те же корни. Значит, все решения уравнения содержатся среди корней четырех квадратных уравнений. Следовательно, их не более восьми.