Сборник задач по математике с решениями - А. А. Рывкин, Е. Б. Ваховский 2003

Указания
Вторые указания

K главе 1

1.1. Из треугольника AO₁D определить АO_1; если известен радиус окружности O₁ (см. рис. I.1.1 на с. 114).

1.2. Зная AB, можно найти AD и радиус ВО₁ описанной окружности (рис. II.1.2^[15]). Нужно лишь заметить, что угол ABD равен ^π/₂ − α, а ВE = ^АB/₂.

1.3. Возможны два случая взаимного расположения треугольника и окружности. Либо окружность будет вписана в треугольник так, что каждая точка касания делит соответствующую сторону пополам, либо одна вершина треугольника окажется внутри окружности, а две другие — вне.

Найдите решение, не зависящее от взаимного расположения окружности и треугольника. Для этого достаточно рассмотреть треугольник, который получится, если соединить середины сторон данного треугольника.

1.4. Чтобы найти отношение площадей треугольников А₁В₁С и АВС, нужно применить теорему об отношении площадей треугольников, имеющих равный угол.

В обозначениях, введенных на рис. II.1.4. имеем

С помощью теоремы о биссектрисе внутреннего угла треугольника остается выразить а₁, a₂, b₁, b₂, c₁, с₂ через а, b и с.

1.5. Если центр вписанной в треугольник окружности обозначить через О, то площадь треугольника АВС можно будет вычислить как сумму площадей треугольников АОВ, ВОС и СОА. При этом каждая из сторон АО, ВО и СО может быть выражена через радиус r вписанной окружности. Площадь треугольника А₁В₁С₁ тоже разбивается на три площади: А₁ОВ₁, В₁ОС₁ и С₁ОА₁. Остается углы А₁ОВ₁, В₁ОС₁ и С₁ОА₁ выразить через углы треугольника АВС.

1.6. Из данного соотношения между площадями треугольников АDС и АВD, имеющих общую сторону АD и одинаковые углы при вершине А (поскольку АD — биссектриса треугольника АВС), можно найти отношение сторон AC : AB. Далее применить теорему синусов.

1.7. Площадь треугольника САD (D — точка пересечения биссектрисы внешнего угла А треугольника АВС с продолжением стороны СВ) можно вычислить двумя способами, используя лишь элементы, участвующие в задаче.

1.8. Сумма двух сторон треугольника, не лежащих против угла А, участвует в выражении площади через полупериметр и радиус вписанной окружности и в выражении через биссектрису и синус половинного угла. Из этих двух выражений сумму b + с нужно исключить.

1.9. Отношение отрезков АО и ОМ дано. Эти отрезки можно рассматривать как отрезки, на которые сторона AM треугольника АВМ делится биссектрисой ВО. В результате мы перейдем к отношению отрезков AB и ВМ, последний из которых легко выражается через стороны данного треугольника.

Аналогично нужно поступить с отношением отрезков ВО и ON.

1.10. Угол РМА равен углу QОА (рис. II.1.10). Чтобы найти МР, нужно рассмотреть сначала треугольник РМА, а затем треугольник ОАQ.

1.11. С помощью первого указания можно получить одно уравнение, связывающее углы данного треугольника. Ко второму уравнению нас приведет условие, в силу которого высота ВQ треугольника АВС (рис. II.1.11) в 6 раз больше высоты ОQ треугольника АОС. Достаточно выразить АQ из треугольников АВQ и АОQ, заметив при этом, что угол ОАQ является дополнительным для угла С.

1.12. После того как получено соотношение

^h/_{sin C} + ^h/_{sin B} = k

использовать условие, согласно которому В − С = ^π/₂, с тем, чтобы получить уравнение относительно одной тригонометрической функции неизвестного угла С. Для достижения этой цели можно, например, в написанное выше соотношение подставить В = ^π/₂ + С. После этого полученное соотношение удобно возвести в квадрат.

1.13. Способ 1. Через x, y и z можно выразить площадь треугольника:

ха + yb + zc = 2S.

Еще три соотношения, в которых участвуют x, y и z, получим, если выразим каждый из отрезков АО, ВО и СО из двух прилегающих к нему треугольников.

Способ 2. Связать отрезки l, m и n удобно с помощью теоремы косинусов для каждого из трех треугольников АОВ, АОС и ВОС, сумма площадей которых равна площади треугольника АВС.

1.14. Остается использовать условие, что А − В = φ. С помощью формул преобразования произведения тригонометрических функций в сумму придем к тригонометрическому уравнению относительно ^{A + B}/₂.

1.15. Площадь треугольника АВС, которую мы временно обозначим через S, равна

S = ½ah_a = ½bh_b.

Кроме того, S выражается через а, b, l и sin ^C/₂ , если треугольник АВС разделить биссектрисой СD на два треугольника.

1.16. Для нахождения угла СОВ следует использовать тот факт, что центр вписанной в треугольник окружности лежит на пересечении биссектрис. Для этого нужно выразить ∠ СОВ через сумму ∠ ОСВ + ∠ ОВС.

1.17. Так как по условию стороны треугольника образуют арифметическую прогрессию, то обозначим их длины через а, а + d, а + 2d и постараемся связать радиус вписанной окружности с длинами сторон. На рисунке треугольник удобно расположить так, чтобы средняя по длине сторона оказалась его основанием.

С помощью сравнения площадей легко выразить высоту треугольника через радиус вписанной окружности. Этот факт будет полезен для исследования образовавшихся подобных треугольников.

1.18. Заметить, что проекция отрезка АО (О — центр вписанной окружности) на сторону b равна p − а.

1.19. Чтобы доказать, что треугольники АВС и OKL подобны, достаточно установить равенство их углов. Так как углы треугольника АВС легко выражаются через угол С, то и углы треугольника OLK тоже следует постараться выразить через тот же угол С. Начать удобно с угла KOL, который равен углу АОВ.

1.20. Чтобы связать стороны треугольника и его углы, удобно воспользоваться теоремой синусов; так как соотношение, которое нужно доказать, однородно, линейные элементы сократятся.

1.21. Если через одну из вершин треугольника АВС провести отрезок, параллельный противоположной стороне треугольника до пересечения с данной в условии прямой, то получим нужные подобные треугольники.

1.22. Если в треугольнике АВС провести высоту АЕ, то получим три прямоугольных треугольника; с помощью теоремы Пифагора АВ², АС² и АD² можно выразить через АЕ и отрезки, лежащие на BC.

1.23. Если AC — основание треугольника, то дополнительное построение удобно выполнить так: через вершины А и С провести прямые, параллельные ВQ, а отрезки СR и АР продолжить до пересечения с этими прямыми. В результате возникнут все необходимые для решения подобные треугольники.

1.25. В качестве неподвижного радиуса удобно выбрать АО. Сумму квадратов расстояний выразить через радиус R описанной около треугольника окружности и угол α.

1.26. Две стороны треугольника и угол между ними известны. Третью сторону можно найти по теореме косинусов, а радиус описанной окружности — по теореме синусов.

1.27. Выразить cos А и cos С через стороны треугольника и сравнить cos 2С с cos А, имея в виду данное в условии соотношение: а² = с(b + с).

1.30. Сделать это можно так: ВЕ будет стороной, соответствующей О₁Е, а через точку E нужно будет провести прямую, параллельную KO₂, и отложить на ней отрезок, равный KO₂.

1.31. Достроить треугольник АВС до параллелограмма так, чтобы сторона AB была диагональю этого параллелограмма, а через вершину В провести ВD₁ ‖ АD. Рассматривая треугольник МDС и подобный ему треугольник с вершинами в точках В и С, найдем отношение, в котором точка M делит отрезок АD.

1.32. Чтобы выразить все участвующие в формулировке задачи величины через R и синусы соответствующих углов, нужно ввести углы так, как это показано на рис. II. 1.32, и затем воспользоваться теоремой синусов.

1.33. При продолжении боковой стороны трапеции и указанного в условии отрезка до их пересечения получаются подобные треугольники. Это позволяет выписать соответствующую пропорцию и составить из нее производную пропорцию.

1.34. Чтобы использовать условие AN : NB = 1 : 2, можно отметить на рисунке точку пересечения прямой с продолжением одной из сторон квадрата или провести через точку N прямую, параллельную BC.

1.35. Чтобы составить уравнение относительно x, удобно выразить через x отрезок АЕ один раз с помощью квадрата, а другой раз с помощью треугольника.

1.36. Чтобы связать треугольник и трапецию с окружностью, естественно провести радиусы в вершины обеих фигур. K этим радиусам прилегают прямоугольные треугольники. Выясните, какие из них равны. (!!)

Углы NOE и OAD (рис. II.1.36) можно выразить через угол а и убедиться в том, что они равны.

1.38. Выразить через R и n периметры первого и второго многоугольников и сравнить с периметром третьего многоугольника.

1.39. Величину R можно вычислить, построив треугольник, в котором все стороны выражаются через R и известные величины. В качестве такого треугольника удобно выбрать треугольник ОМО₁, где О₁ — центр рассматриваемой в задаче окружности.

1.40. Ввести в рассмотрение угол ADC (обозначить его через φ) и равный ему угол BEC. Найти tg φ.

1.41. Чтобы применить к треугольнику AOO₁ теорему косинусов, придется использовать угол β между хордой AB и диаметром, исходящим из точки А. Косинус и синус этого угла легко выразить через b и r.

1.42. Чтобы использовать условие задачи, нужно соединить центр окружностей с концами и серединами хорд, являющихся сторонами квадрата. При решении следует помнить, что возможны два варианта взаимного расположения квадрата и центра окружностей: либо центр лежит внутри квадрата, либо вне его.

1.43. Чтобы составить уравнение относительно x, рассмотрите треугольник ОЕС, в котором все стороны можно выразить через R и x.

1.44. Ввести обозначения R, r и x, где x — расстояние между проекциями центров на нижнее основание. Составить уравнения, используя условия задачи и теорему Пифагора.

1.45. Чтобы доказать, что фигуры СQNK и ОQR равновелики, достаточно доказать, что равновелики секторы COQ и KDN. Для этого следует выяснить связь между радиусами большей и меньшей окружностей.

1.46. Пусть K — проекция точки O на AB. Отрезок OK можно вычислить двумя способами: из треугольника OAK и из треугольника OKP₁.

1.47. Так как хорды пересекаются внутри окружности, то естественно воспользоваться равенством произведений отрезков, на которые каждая хорда делится точкой пересечения.

1.48. Чтобы связать x и R, а именно это требуется в условии задачи, нужно опустить из центра О₂ перпендикуляры O₂D и О₂С на радиусы OA и ОВ соответственно.

Рассмотреть треугольник О₂СО₁. Выразить О₂С через x и R, используя тот факт, что угол ОАВ = 45°.

1.49. Угол АМС равен π − 2φ. Если МВ = МС = рx, то AC можно выразить из треугольников АМС и АВС. Приравняв эти выражения, получим уравнение относительно x.

1.50. Если стороны треугольника а, а − d, а + d, то его полупериметр p = ^3a/₂ . Из формулы Герона получим уравнение относительно а:

Это уравнение нужно решить относительно а. Подберите удобную замену переменной.

1.51. Пусть PP₁ — средняя линия треугольника АВС, а QQ₁ — средняя линия треугольника PBP₁ Пусть далее P₁ — точка пересечения PP₁ и BR, а Q₂ — точка пересечения QQ₁ с BR. Убедитесь в подобии треугольников Р₂TP и Q₂TQ.

1.52. Рассмотрите треугольники с общей вершиной, опирающейся на отрезки, которые участвуют либо в условии задачи, либо в искомом соотношении.

1.53. MN — хорда второй окружности, ее центральный угол МО₂N равен 150°, что следует из рассмотрения первой окружности.

1.54. Так как α + β + γ+ δ = 180°, то площадь S четырехугольника АВСD равна

S = ½ab sin (γ + δ) + ½cd sin (α + β) = ½ sin (α + β) (ab + cd).

Далее воспользоваться теоремой синусов, в силу которой а = 2R sin α, b = 2R sin β , ... .

K главе 2

2.1. Осуществить параллельный перенос отрезка DC в точку В.

2.2. Сколько решений имеет задача?

2.3. Точки А и А₁ лежат на прямой, параллельной BC и отстоящей от BC на расстоянии h_а. Нужно найти еще одно свойство любой из этих точек; в этом должен помочь угол φ.

Отразив треугольник СА₁А от оси А₁А, получим треугольник С₁А₁А (рисунок сделайте самостоятельно). Фигура С₁АВА₁ — параллелограмм, у которого вершины С₁ и В фиксированы, углы известны, а две другие вершины нужно построить.

2.4. Зная R и b, можно построить треугольник АОF (рис. II.2.4). Остается использовать медиану m_с. Чтобы это сделать, нужно, после того как построен треугольник АОF, построить середину отрезка AB.

2.5. Докажите, что точка Q лежит на окружности, описанной около треугольника АВС. Для этого достаточно вычислить угол ВО₁С.

2.6. Предположим, что точки D и E найдены (рис. II.2.6). Если через любую точку F, лежащую на AB, провести прямую FG, параллельную DЕ и пересекающую АЕ в точке G, а через точку G — прямую GH, параллельную ЕС, то получим четырехугольник AFGH, подобный АDЕС, с центром подобия в точке А.

2.7. «Средним» будет такое положение прямой FЕ, когда FM = ME.

2.8. В треугольнике А₁АА₂ известны основание и высота. Третий элемент этого треугольника можно найти, если использовать данный в условии угол А треугольника АВС, через который легко выразить угол А₁АА₂.

2.9. Если взять любой из треугольников, образовавшихся при вершине P (рис. 11.2.9), то начало для построения ломаной, составленной из АР, ВР и СР, уже есть. Однако просто пристроить недостающее звено нельзя, так как последняя вершина такой ломаной не будет закреплена, а потому не позволит решить задачу.

На помощь приходит свойство правильного треугольника: поверните треугольник АВР на 60° вокруг точки А и вы получите ломаную В₁Р₁РС, равную сумме отрезков АР, ВР и СР. При этом точка В₁ однозначно определяется видом треугольника АВС.

2.10. Чтобы построить точку С, достаточно знать длину отрезка СЕ или длину отрезка DЕ = СЕ − l. Задача сводится к вычислению и построению отрезка DЕ.

2.11. Вершина С лежит, с одной стороны, на окружности радиусом b с центром в точке В, а с другой стороны, на прямой, параллельной АD, которую нетрудно построить.

2.12. Остается построить треугольник ОМС по трем сторонам: СМ = АО = R, ОС = 2R, ОМ известно, так как точки О и M даны.

2.13. Треугольник ОО₁E, где О₁E ‖ AB, а точка E лежит на ОС, легко построить, зная О₁Е = ^a/₂.

2.14. Точки M и N лежат на окружности, концентрической данной.

2.15. Отрезок РQ перенести параллельно в отрезок В₁В и рассмотреть угол АРВ₁.

2.16. Чтобы построить параллелограмм FBDE на его диагонали, нужно найти еще одну связь между вершинами F и D и данными элементами. Заметим, что точка А еще никак не участвовала в построениях. Если соединить ее с точкой F то получим угол АFЕ, который известен, так как выражается через угол АСВ.

2.18. Воспользоваться тем, что высоты в треугольнике пересекаются в одной точке.

2.19. Провести прямую через точку С и данную точку M и найти точку ее пересечения с данным диаметром или его продолжением.

2.20. Если одну из точек, например А, отразим симметрично от прямой l (рис. II.2.20), то получим точку А₁ причем решение аналогичной задачи для точек A₁ и В совпадет с решением первоначальной задачи. Легко заметить, что величина |A₁C − BC| не может превзойти длины отрезка A₁B. Но может ли она ее достигнуть?

2.21. Такая связь есть (рис. II.2.21). Точки E и F пересечения диагонали квадрата с окружностями, построенными на противоположных сторонах данного четырехугольника как на диаметрах, делят соответствующие дуги пополам.

2.22. Выбрав произвольно длину отрезка 1, построим соответствующий ему отрезок длины √7. Теперь, зная отрезки 1 и √7, найдем отрезок x = 7, воспользовавшись подобием соответствующих треугольников: √7 : x = 1 : √7 .

2.23. Если на одном луче от вершины О угла отложены отрезки ОА = а и ОВ = b (b > а), на другом его луче отрезок ОС = с (рис. II.2.23), и через точку В проведена прямая BD, параллельная AC и пересекающая ОС в точке D, то отрезок OD = d = ^bc/_а.

K главе 3

3.1. Выразить длину отрезка ОС через ОА.

3.2. Данный треугольник и все треугольники, образовавшиеся при его проецировании на плоскость P, определены с точностью до подобия. Поэтому соотношение между углами можно получить, введя в рассмотрение некоторый линейный элемент, зависящий от всех участвующих в задаче углов. (!!)

В качестве линейного элемента взять расстояние от вершины прямого угла треугольника до плоскости P.

3.3. При построении плоскости Q мы можем произвольно выбрать две величины: расстояние от точки О до этой плоскости и угол АВО (рис. II.3.3), чтобы пирамида ОАА₁В₁В имела наиболее удобный вид. При изменении расстояния от точки О до плоскости Q возникает фигура, подобная первоначальной. Это не отражается на рассматриваемых углах, а потому позволяет ввести линейный элемент, через который мы выразим затем все стороны треугольника ОАВ. (!!)

В качестве линейных элементов удобно выбрать отрезки AA₁ или ВВ₁ так как это позволяет легко вычислить стороны треугольника ОАВ и затем угол АОВ. Однако мы должны выбрать лишь один линейный элемент. Поэтому расположим плоскость Q так, чтобы AA₁ = ВВ₁.

3.4. Точка, в которую спроецируется искомая прямая, должна быть одинаково удалена от проекций прямых b, с и d. Рассмотреть различные случаи расположения проекций, которые могут возникнуть.

3.5. Чтобы связать искомый угол с треугольником и отрезком AS, построим в плоскости P прямоугольник, две стороны которого лежат на AB и CD, а AC — его диагональ.

3.6. Отрезок OK можно выразить из треугольников OKM и OKR и приравнять полученные выражения. Еще одно соотношение между интересующими нас величинами получим с помощью отрезка АР. Останется воспользоваться равенством, содержащимся в условии.

3.7. В двух противоположных гранях четырехгранного угла должны лежать параллельные стороны параллелограмма. Однако эти грани имеют общую точку — вершину угла, поэтому они пересекаются по некоторой прямой. Противоположные стороны параллелограмма должны быть параллельны этой прямой.

3.8. Рассмотреть треугольник FBA и убедиться, что угол CAF прямой.

3.9. Если вершина пирамиды спроецируется в точку, лежащую внутри основания, то с помощью сравнения площадей легко сосчитать, чему равна сумма расстояний от этой точки до сторон треугольника. (!!)

Расстояния от точки, в которую проецируется вершина пирамиды, до сторон треугольника выражаются через высоту пирамиды и данные углы. Пользуясь этим, можно вычислить высоту пирамиды. Случай, когда вершина проецируется не внутрь основания, не доставляет ничего нового.

3.10. Высота DO пирамиды будет лежать в плоскости EDC (докажите). Ее можно выразить сначала через ED, а затем через ЕС и искомый угол.

3.11. Чтобы вычислить площадь боковой поверхности пирамиды, нужно найти либо боковое ребро, либо тригонометрические функции угла x. Второе сделать легче, так как углы x и 2x встречаются в двух различных прямоугольных треугольниках с одинаковой гипотенузой.

3.12. Начать нужно с определения коэффициента пропорциональности длин параллельных ребер тетраэдров. Для этого придется рассмотреть треугольник, образованный двумя медианами, которые принадлежат разным треугольникам, но опираются на одно ребро тетраэдра.

3.13. Чтобы установить равенство треугольников A₁SB₁ и A₂SB₃, достаточно доказать, что равны их углы при вершине S. Мы не использовали еще полностью то условие задачи, в силу которого О — центр шара, вписанного в трехгранный угол. Поэтому целесообразно рассмотреть плоскость, проходящую через ОО₁ и ОО₂ и точку ее пересечения с SA₂.

3.14. Достаточно ограничиться рассмотрением схематического рис. II.3.14, имея в виду, что H − h₂ = ^{H − h}₁/₂. Это соотношение соответствует условию, согласно которому интересующее нас сечение проходит через середину высоты усеченной пирамиды.

3.15. Если вычислить DE², то косинус угла DAE найдем с помощью теоремы косинусов из треугольника ADE. Вычислить DE² можно, воспользовавшись тем, что DO — медиана одновременно в двух треугольниках: ADC и BDE.

3.16. Углы α и β в сумме образуют угол, все тригонометрические функции которого известны. Взяв, например, cos (α + β), мы получим еще одно уравнение.

3.17. Треугольники DAM и DMS имеют общую сторону MD и смежные углы при вершине M. Следовательно, отношение их площадей равно отношению отрезков AM и MS. Воспользоваться подобием треугольников, образовавшихся в плоскости ASB. (!!)

Ввести линейный элемент, через который выразить длины отрезков. Удобно выбрать сторону квадрата, лежащего в основании, так как равный ей отрезок KE связывает с помощью углов α и β все элементы в треугольнике KSE.

3.18. В треугольниках ADC и ADB углы при вершине D прямые.

3.19. Плоскостью SDC пирамида SABC разбилась на две равные пирамиды с общим основанием SDC. Для решения задачи нужно найти площадь SDC, так как высоты пирамид известны.

3.20. Чтобы связать участвующие в задаче элементы, нужно измерить данный двугранный угол α и искомый двугранный угол x. Высота пирамиды свяжет эти два угла.

3.21. Рассмотрите треугольник ABD, стороны которого легко выразить через SA и тригонометрические функции угла α. (!!)

Из треугольника ABD найдите косинус угла x.

3.22. Отрезок KM можно, во-первых, вычислить непосредственно, а во-вторых, выразить через R.

3.23. Построенное сечение пересечет основание пирамиды по отрезку, параллельному одному из ребер основания. (!!)

Воспользоваться сравнением площадей для треугольника SOA.

3.24. На рис. I.3.24 (см. с. 127) спроецируйте DС на плоскость основания. Докажите утверждение, обратное сформулированному в первом указании: если проведена плоскость KLNM, параллельная AB и DC, то KLNM — прямоугольник. Выясните, когда он будет квадратом, воспользовавшись подобием образовавшихся на рисунке треугольников.

3.25. Из точки R₁ на три грани пирамиды опущены перпендикуляры одинаковой длины. Если соединить точку R₁ со всеми вершинами пирамиды, то этот факт можно будет использовать при сравнении объемов.

3.26. Чтобы найти площадь основания пирамиды, нужно сначала выразить площадь сечения А₁В₁С₁ (см. рис. I.3.26 на с. 127) через ребро куба, а затем воспользоваться соотношением между площадями подобных фигур.

3.27. С помощью боковых ребер x, y, z пирамиды можно записать выражение для ее объема V = ^xyz/₆. Остается выразить x, y и z через a, b и с.

3.28. Если EF — проекция DC на плоскость P, то АЕВF — прямоугольник (докажите). (!!)

Плоскость DCFE разобьет пирамиду АВСD на две равные пирамиды с общим основанием, площадь которого легко вычислить, и высотой, которую можно найти из прямоугольника AFBE.

3.29. Если вы правильно воспользовались первым указанием, то получите рис. II.3.29.

Пусть MN — проекция CD на плоскость P. Тогда СN = DM = 6, MN и AB образуют искомый угол α. Применение метода сравнения объемов для тела АNВMСD позволяет получить уравнение относительно sin α.

3.30. Если ввести в рассмотрение высоту H призмы и сторону a ее основания, то из правильного треугольника В₁А₁С₁ мы легко выразим a через R, а с помощью треугольника DА₁Е выразим и H через R. (!!)

Для треугольника DА₁E применить метод сравнения площадей.

3.31. Рассмотреть треугольник, образованный высотой тетраэдра, одним из боковых ребер и проекцией этого ребра на плоскость основания, а также подобный ему треугольник, в котором участвует искомый радиус.

3.32. Из всех подобных кубов с центром в точке О удобно выбрать тот, вершина которого, противоположная точке О, лежит на грани параллелепипеда.

3.33. Пусть разность между углами А и С равна φ, а ВD — биссектриса угла В (рис. II.3.33). Легко показать, что α = ^π/₂ + ^φ/₂. Затем удобно представить площадь треугольника АВС как сумму площадей треугольников АDВ и ВDС.

3.34. Расстояние между диагоналями С₁D и В₁С (рисунок сделайте сами) равно расстоянию между плоскостями А₁C₁D и АВ₁С.

3.35. Основание перпендикуляра, опущенного из точки K на диагональ куба, обозначим через О₁. Для треугольника OKO₁ можно воспользоваться свойством отрезков, на которые биссектриса делит сторону основания.

3.36. Перемещая взаимно перпендикулярные плоскости параллельно самим себе, мы не изменим проекции четырехугольника. Поэтому разместим одну из плоскостей так, чтобы она проходила через вершину четырехугольника (рис. II.3.36; эта вершина обозначена буквой А). Чтобы построить прямую, по которой пересекаются плоскости АВСD и АВ₁С₁D₁, найдем точку E, в которой пересекаются BC и В₁С₁. Теперь можно измерить угол между плоскостями АВСD и АВ₁С₁D₁, построив ВF ⊥ ЕА и соединив В₁ с F. Угол ВFВ₁ равен 45°.

3.38. Найти связь между радиусами шаров и величинами H, ρ и p можно, рассмотрев осевое сечение конуса.

3.39. Если рассмотреть осевое сечение обоих конусов, то задача станет плоской. Чтобы связать радиусы оснований конусов, в качестве вспомогательной величины удобно выбрать радиус сферы.

3.40. Сделав аналогичные построения для второй сферы, можно будет заключить, что, во-первых, треугольник О₁ВО₂ равнобедренный и, во-вторых, SB — высота пирамиды, объем которой мы ищем. (!!)

Так как BC (постройте этот отрезок на рис. I.3.40) (см. с. 129) — сторона основания правильной пирамиды, то можно доказать, что отрезок прямой EO₁ является в треугольнике BEC одновременно медианой и биссектрисой. Это может оказаться полезным при вычислениях.

3.41. В осевом сечении, проходящем через О₁ и О₃, получим картину, изображенную на рис. II.3.41. Все стороны треугольника О₁О₃О₅ нам известны (О₁О₃ легко найти из рис. I.3.41) (см. с. 129). Остается определить SD и AD.

3.42. Треугольники ASD и EMK подобны, т. е. углы SAD и MEK равны. Котангенс угла SAD нам известен, так как AD = a, SD = h. (!!)

Из треугольника SDC можно найти радиус основания цилиндра, а затем из треугольника EMK определить EK.

3.43. Рассмотреть подобные треугольники SOA и SO₁B, где О₁ — центр куба, а B — одна из вершин диагонального сечения куба, параллельного плоскости основания конуса. Это позволит найти одно соотношение между ребром куба а, высотой конуса H и радиусом его основания R (рис. II.3.43). (!!)

Второе соотношение между H, R и а можно будет найти, рассмотрев вторую пару подобных треугольников: SO₁B и SO₂C. Здесь О₂ — середина верхнего ребра куба, а C — одна из вершин этого ребра. Имея в распоряжении два уравнения, можно выразить R и H через а и тем самым решить задачу.

3.44. В предыдущих рассуждениях не использовано условие, согласно которому три стороны трапеции, являющейся боковой гранью пирамиды, равны b. С помощью этого условия можно найти другое выражение площади боковой грани через а и b и приравнять первому. (!!)

Решить полученное однородное уравнение относительно ^а/_b . Остается связать величину b с радиусом вписанного шара. Для этого достаточно рассмотреть треугольник, получающийся при проецировании одной вершины верхнего основания на нижнее.

3.45. Обозначим через О₁ и O₂ центры меньших шаров, через O₃ — центр большего шара, через О — центр шара, радиус которого нужно найти (рис. 11.3.45); Р₁ Р₂, Р₃, P — соответственно точки касания этих шаров с плоскостью. Радиус искомого шара обозначим через x. Тогда известны длины изображенных на рисунке отрезков: О₁Р₁ = O₂Р₂ = r, O₃Р₃ = R, ОР = x, O₁O₂ = 2r, O₁O₃ = O₂O₃ = R + r, OO₁ = OO₂ = r + x, OO₃ = R + x. Мы считаем очевидным, что x < r. (!!)

Нужно найти соотношение, связывающее величины R, r и x. Для этого придется рассмотреть треугольник Р₁Р₂Р₃ и вычислить длины проекций отрезков, соединяющих центры шаров. Так как шары O₁ и O₂ равны, то O₂O₃ = O₁O₃ и, следовательно, Р₂Р₃ = Р₁Р₃. Поэтому точка P лежит на высоте и медиане равнобедренного треугольника Р₁Р₂Р₃.

3.46. Обозначим через O₁ центр одного из двух равных шаров, а через O₃ — центр меньшего шара. Пусть эти шары касаются нижней грани двугранного угла (рис. 11.3.46) в точках В и D соответственно. Прямоугольные треугольники O₁АВ и O₃CD имеют углы при вершинах А и С, равные ^α/₂ . Чтобы использовать факт касания шаров O₁ и O₃ и наличие у них общей касательной плоскости Π, нужно рассмотреть треугольник O₁O₃F, в котором О₁О₃ = R + r (R — радиус большего шара, r — радиус меньшего шара), O₁F = R − r (F — проекция точки О₃ на отрезок О₁В). Если удастся выразить O₃F через R, r и α, то мы получим соотношение, позволяющее определить угол α. (!!)

Отрезок O₃F (см. рис. II.3.46) равен ВD, а ВD можно выразить через катеты прямоугольного треугольника ВDЕ, где E — проекция точки D на отрезок AB. Чтобы найти ЕD, нужно воспользоваться фактом касания шаров О₁ и О₂, сделайте на рисунке необходимые построения, рассмотрев проекцию их линии центров на плоскость Π.

3.47. Так как каждый из трех шаров с центрами в точках О₁, О₂, О₃ касается боковой поверхности конуса и плоскости P, то длина перпендикуляра, опущенного из центра шара на плоскость P, равна длине перпендикуляра, опущенного из центра на ближайшую к нему образующую (рис. II.3.47).

3.48. Оси двух соседних конусов и их общая образующая лежат в одной плоскости (докажите). Рисунок, сделанный в предположении, что ось конуса и две образующие, по которым происходит касание с соседними конусами, лежат в одной плоскости, будет неверным. При таком расположении конусов касание происходило бы по диаметрально противоположным образующим, т. е. основание конуса было бы перпендикулярно к плоскости, и общая вершина конусов не смогла бы лежать в этой плоскости. (!!)

Угол между осями соседних конусов искомый.

3.49. Центр сферы, построенной на AB, обозначим через О₁, а центр вписанной сферы — через О₂. Пусть F — точка касания сферы О₂ с гранью САD. Треугольники FO₂A и OKA подобны.

3.50. Плоскость, проведенная через ось РР и точку О — центр основания пирамиды (обозначим ее через Π), разобьет пирамиду SАВСD на две равные части, расположенные симметрично относительно этой плоскости. Вместо всей пирамиды можно вращать вокруг РР одну из этих частей. Теперь нужно заменить пирамиду плоской пластинкой, дающей при вращении то же тело, что и пирамида. Для этого каждое из сечений SEF пирамиды нужно перенести с помощью поворота в плоскость Π. (!!)

В плоскости Π образуется пятиугольник специального вида. Такой пятиугольник можно получить, если на одно из оснований прямоугольника поставить равнобедренный треугольник.

3.51. Способ 1. Из полученного тригонометрического уравнения удобно определить cos 2α и воспользоваться этой величиной для нахождения отношения V_к : V_ш.

Способ 2. Естественно воспользоваться леммой, в силу которой V₁ = ⅓ rS₆, т. е. объем первого тела вращения равен одной трети произведения радиуса вписанного в конус шара на его боковую поверхность.

3.52. Вершина В₁ может проецироваться на биссектрису угла ABN (или угла СВМ) — внешнего угла треугольника АВС (рис. II.3.52). Поэтому придется рассмотреть два различных случая, каждому из которых соответствует свой рисунок.

3.53. Разделите куб АВСDА₁В₁С₁D₁ на две равные призмы плоскостью, проходящей через ребра В₁С₁ и АD. Каждую из двух призм разделите на две пирамиды, одна из которых — четырехугольная, а другая — треугольная.

3.54. Центр описанного около пирамиды SABC шара обозначим через O₁. Он лежит на перпендикуляре ОО₁ к плоскости АВС, проведенном через центр О правильного треугольника АВС (рис. II.3.54). Возникает соблазн сделать вывод о том, что радиус описанного шара достигает минимального значения, когда вершина S совпадает с центром Q треугольника А₁В₁С₁. В этом случае радиус O₁S = O₁Q становится частью перпендикуляра, в то время как в остальных случаях O₁S — наклонная и поэтому меньше своего перпендикуляра. K сожалению, это рассуждение некорректно, так как при изменении положения вершины S, вообще говоря, меняется положение центра шара О₁, хотя он и остается на прямой ОО₁. (!!)

Есть еще одна тонкость. Мы не можем заранее утверждать, что центр шара О₁ лежит между точками О и Q. Вполне может случиться, что точка О ближе к точке Q, чем точка О₁. Решение должно учитывать и это обстоятельство.

K главе 4

4.1. Если ребро куба обозначить через а, то объем фигуры, лежащей под сечением, можно вычислить как разность объемов двух треугольных пирамид: NАFD и МЕFС (рис. I.4.1 на с. 131).

4.2. Площадь сечения удобно вычислять как разность между площадью треугольника AML (см. рис. I.4.2 на с. 131) и удвоенной площадью треугольника KGL.

4.3. Построение сечения показано на рис. II.4.3. Обратите внимание на то обстоятельство, что EС₁ = BF.

4.4. Объемы пирамид, о которых шла речь в конце указания I (см. с. 132), нужно выразить через объем данной пирамиды SABCD. Для этого придется найти отношение их высот и оснований. Сделайте отдельный чертеж плоскости, в которой лежит грань SDC.

4.5. Чтобы сравнить объемы фигур, на которые разбивается сечением вторая половина данной пирамиды, удобно в качестве основания выбрать грань BSC.

4.6. Если продолжить ребра А₁D₁ и А₁B₁ до пересечения с QR и QP соответственно, то можно будет построить след сечения в плоскости верхнего основания куба.

4.7. Обозначить сторону основания через а и выразить площадь сечения через а и высоту боковой грани.

4.8. Нужно доказать, что точка D лежит на отрезке KM (см. рис. I.4.8 на с. 132). Однако сделать это непосредственно трудно. Удобнее изменить построение: EK — высота пирамиды ЕАВС, D — середина AC. Проведем через K и D прямую, которая пересечет AB в точке M. Докажем, что ЕМ — высота в треугольнике АВЕ. (!!)

Если мы убедимся в том, что KSOD — параллелограмм, то отрезок KD параллелен СО и, следовательно, перпендикулярен к AB, откуда ЕМ — высота треугольника АВЕ.

4.9. В сечении получается пятиугольник, в котором отрезок, параллельный АС₁, не является высотой, так как основания параллелепипеда — не квадраты. Высоту нужно вычислить, чтобы найти площадь пятиугольника.

4.10. Докажите, что при вращении точки E тень, отбрасываемая верхним основанием куба, перемещается, оставаясь квадратом со стороной 2h. (!!)

Тень при любом положении источника E состоит из двух квадратов АВСD и А₂В₂С₂D₂, стороны которых параллельны, сторона второго вдвое больше стороны первого, а отрезок, соединяющий центры, имеет постоянную длину R. Чтобы построить из этих квадратов тень, нужно соединить соответствующие вершины квадратов и получить выпуклую фигуру. Задача свелась к плоской.

4.11. Если вместо куба, нижнее основание которого образует с плоскостью Π острый угол φ, оставить фигуру А₁В₁D₁DВС, образованную двумя треугольниками A₁B₁D₁, ВСD и диагональным сечением В₁D₁DB куба, то отбрасываемая на плоскость Π тень не изменится. Остается выразить площадь тени через ребро куба и угол φ.

K главе 5

5.2. В треугольнике АМВ рассмотреть медиану, выразить ее квадрат через стороны треугольника, воспользоваться полученными ранее соотношениями. (!!)

Доказать, что медиана МС равна AB.

5.3. Косинус угла А, участвующий в теореме косинусов, можно определить из треугольника АМО, где О — центр окружности, о которой идет речь в условии задачи. (!!)

Обратное утверждение можно доказывать в такой форме: если AC = 2ВС и 2АМ² + МВ² = АВ², то АО = МО. Здесь тоже естественно воспользоваться теоремой косинусов для треугольника АМВ. Единственное осложнение возникает из-за необходимости выразить cos А через линейные элементы. Можно поступить иначе: записать теорему косинусов для треугольника АМО, имеющего с АМВ общий угол А, и исключить cos А.

5.4. Два треугольника АМВ и ВМС, имеющие общую сторону ВМ, равновелики тогда и только тогда, если их высоты, опущенные из вершин А и С на общую сторону ВМ, равны.

Задача свелась к построению прямой, проходящей через точку В и равноудаленной от двух данных точек А и С. (!!)

Существуют две и только две прямые, проходящие через точку В и равноудаленные от точек А и С: одна — параллельная AC, другая проходит через середину AC.

5.5. Если прямые AB и CD пересекаются в точке N, то отрезки AB и CD следует перенести в эту точку, двигая каждый по своей прямой. После этого задача сведется к предыдущей (см. задачу 5.4). (!!)

Если прямые AB и CD параллельны, то отрезки AB и CD удобно расположить так, чтобы их центры лежали на общем перпендикуляре. Этот перпендикуляр остается разделить в отношении CD : AB.

5.6. Пусть MN — отрезок длины l, E — его середина, а длина отрезка ОО₁ равна а (рис. II.5.6). Если спроецировать точку E на плоскость нижнего основания, то легко вычислить длину отрезка GO, равного отрезку EF. (!!)

Поскольку длина отрезка GO, равного отрезку EF, не зависит от расположения отрезка MN, то точка E лежит на окружности радиуса EF с центром в точке F. Остается установить обратное предположение и вспомнить о том, что отрезок не должен находиться вне куба.

K главе 6

6.1. Воспользоваться тем, что p − 1, p, p + 1 — три последовательных числа, причем p — простое, большее трех.

6.3. Если n = 2k + 1, то аⁿ + bⁿ = (а + b)(а^{n − 1} − ... + b^{n − 1}).

6.4. Среди этих же чисел будет ¹²⁵/₂ = 62^[16], делящихся на 8 = 2³ и т. д.

6.5. Так как сумма цифр числа делится на 81, то естественно предположить, что оно делится на 81. Однако такой признак делимости не был доказан в курсе арифметики, и поэтому придется дважды воспользоваться признаком делимости на 9. Для этого удобно разбить цифры числа на 9 групп, каждая из которых делится на 9.

6.6. Если многочлен n⁴ + 4 разложен на множители второй степени, то он может быть простым числом только в том случае, если один из множителей равен единице.

6.7. Чтобы убедиться, что числитель всегда делится на число, стоящее в знаменателе, его придется разложить на множители.

6.8. Способ 1. Предположим, что данная дробь сократима. Тогда 5x + 7 = qr, 2x + 3 = pr. Рассматривая эти равенства как систему уравнений относительно x, исключим x.

Способ 2. Рассмотреть вместо данной дроби обратную и выделить целую часть.

6.10. Пример дальнейших рассуждений: при умножении цифры с на 3 мы должны получить число, оканчивающееся на 1. Это возможно лишь при с = 7.

6.11. Так как p — число нечетное, то мы имеем три последовательно нечетных числа. Докажите, что одно из них обязательно делится на 3.

6.12. Если tg 5° — рациональное число, то cos 10° и cos 30° — тоже рациональные числа.

6.13. Сумма девяток должна быть на 10, или на 21, или на 32, или на 43, ... меньше числа, которое делится на 11. Чему должны быть равны в сумме остальные цифры?

6.14. Однородные выражения удобно преобразовывать с помощью замены у = kx. Так как x и у — целые числа, то число k — рациональное, т. е. k = ^p/_q . Остается рассмотреть возможные значения сомножителей, произведение которых равно 17. Нужно добиться того, чтобы каждый сомножитель был целым числом.

6.15. Удобно записать уравнение в виде (x − 2у)(x + 2у) = 5² · 9 · 89 и вспомнить, что мы ищем целочисленные решения.

6.16. Условие 11(4x − 1) = 69(у − x) удовлетворяется при целочисленных значениях x и у, только если 4x − 1 = 69k, у − x = 11n. Из первого соотношения следует, что k + 1 делится на 4. Отсюда k = 3, 7, 11, ... .

K главе 7

7.1. Вынести за скобки в числителе

, а в знаменателе

. После этого дробь сократится.

7.2. Трехчлен 1 + x − x² является общим множителем знаменателей дробей в первой скобке.

7.3. Последнее слагаемое нужно преобразовать отдельно, после чего его можно будет объединить с первыми двумя.

7.4. Поскольку степень каждого члена числителя вдвое больше степени соответствующего члена знаменателя, то дробь целесообразно умножить на выражение, сопряженное знаменателю.

7.6. Преобразовать подкоренные выражения, прибавив и вычтя из них единицу. При извлечении корня использовать условия задачи.

7.7. Можно воспользоваться формулой сложного радикала

7.9. Возвести левую часть, равную 2, в куб, воспользовавшись формулой (x + у)³ = x³ + у³ + 3xу(x + у), где x + у = 2.

7.10. Равенство а + b = − с возвести в куб, а равенство а + b + с = 0 дважды возвести в квадрат. Полученные таким образом соотношения учесть при преобразовании левой части равенства, которое нужно доказать.

7.11. Итак, можно безболезненно рассмотреть лишь случай x ≥ 0, у — любое. Его придется разбить на два случая: |у| ≤ x и |у| > x. В последнем случае

.

7.12. Возведенное в куб выражение преобразовать и упростить, воспользовавшись им же.

7.13. Тождественное равенство многочленов означает равенство их коэффициентов:

а³ − с³ = 0, 3(а²b − с²) = 24, ... .

Из первого равенства следует, что а = с, после чего можно упростить все другие соотношения.

K главе 8

8.2. Перемножить первую скобку с третьей, а вторую с четвертой.

8.5. Полученное тождество справедливо при всех значениях x, в частности при x = i.

8.6. Полезно заметить, что при целых значениях x ≠ 0 выражение

Это позволяет ограничиться рассмотрением таких целых у, что у² ≤ 6.

8.7. Так как все коэффициенты уравнения — рациональные числа, то можно предвидеть, что наряду с корнем √3 + 1 должен существовать корень √3 − 1.

8.8. Теоремы Виета недостаточно, так как уравнение в этом случае может вовсе не иметь действительных корней.

8.11. Приравнять остаток нулю и потребовать, чтобы квадратный трехчлен, получившийся в частном, был положителен, т. е. имел отрицательный дискриминант.

8.12. В полученном тождестве следует выбрать x = 2 и x = 3. Получим два уравнения относительно а и b.

8.13. Записать x⁴ + 1 в виде произведения квадратных трехчленов с неопределенными коэффициентами, раскрыть скобки и воспользоваться условием равенства двух многочленов.

8.14. Многочлен делится на у³, если его свободный член и коэффициенты при у и у² равны нулю.

8.15. Воспользоваться условием тождественного равенства двух многочленов.

K главе 9

9.3. Один способ — дополнить левую часть до полного квадрата, второй — обозначить второе слагаемое через u² и перейти к системе.

9.4. При возведении в куб воспользоваться формулой куба суммы в виде (а + b)³ = а³ + b³ + 3аb(а + b). Выражение а + b заменить правой частью данного уравнения.

9.6. Если ввести новое неизвестное p = u + v, то с помощью уравнения u − v = 1 можно через p выразить как u, так и v. Это поможет решить второе уравнение системы.

9.7. Из системы, полученной в результате замены, исключить свободные члены. Это приведет к уравнению, левую часть которого легко разложить на множители.

9.8. В качестве вспомогательного неизвестного удобно выбрать

9.9. Найти x и сделать проверку. Обратить внимание на то обстоятельство, что разность, стоящая в левой части данного уравнения, всегда положительна.

9.10. Второй путь удобнее, так как не приходится решать неравенство с параметром β, что значительно упрощает исследование.

9.14. Первое уравнение задает квадрат с центром в начале координат и с диагоналями, равными по длине 2, расположенными на координатных осях.

9.15. Ввести новые неизвестные: x + ¹/_x = u, у + ¹/_y = v.

9.16. В первое и второе уравнения входит разность у − z. Ее-то и следует исключить из этих уравнений.

9.17. Сумму x⁴ + у⁴ в третьем уравнении удобно выразить через x² + у² и xу. В результате придем к уравнению относительно z.

9.18. Уравнение x + у = 1 − z позволит также упростить выражение, оказавшееся в скобках после того, как в третьем уравнении был вынесен за скобку множитель 1 − z.

9.19. Поскольку а, b и с — корни многочлена M(t), его можно записать в виде M(t) = (t − а)(t − b)(t − с). Приравняв коэффициенты при одинаковых степенях t в двух выражениях для M(t), найдем u, v и w (см. указание I, с. 138). Постарайтесь закончить решение, не прибегая к излишним выкладкам.

9.20. Умножить первое уравнение на xу²z², а второе на x²уz². Будет ли нарушена при этом равносильность?

9.22. Умножить первое уравнение на z и вычесть из второго. Аналогично поступить со вторым и третьим уравнениями.

9.23. Возвести первое уравнение в квадрат и вычесть его из второго. Из полученного уравнения исключить z, воспользовавшись сначала третьим, а затем первым уравнениями. (!!)

Чтобы осуществить эту операцию, первое уравнение нужно предварительно умножить на у.

9.24. Почленно сложить каждые два уравнения: первое и второе, первое и третье, второе и третье. Из найденной системы получить уравнение относительно u = xyz. (!!)

Чтобы получить уравнение относительно u = xyz, достаточно перемножить полученные уравнения.

9.25. Каждое уравнение — квадратное относительно соответствующего x_k. Решив все эти квадратные уравнения и сложив их решения, мы получим уравнение относительно s. Гарантировать равносильность при этом нельзя, но в условии задачи требуется найти только одно решение.

9.26. Если обозначить 7x − 11у = u, то отсюда можно выразить z через u и у. Таким образом, мы получим снова систему двух уравнений с двумя неизвестными. Из этой системы легко исключить у.

9.27. Из такой системы можно исключить у, одновременно избавляясь от иррациональностей: нужно возвести оба уравнения в квадрат и вычесть второе из первого.

9.28. Выразить

через x и сравнить получающиеся в результате выражения для z².

9.29. Полученная после возведения в квадрат система уравнений позволяет легко определить u − v, а затем u и v. (!!)

При определении u и v и при последующем вычислении x и у нужно провести исследование. В результате будут использованы условия а > b > 0 и а + b < 1, а также введенные при возведении в квадрат ограничения x > 0, у > 0.

9.30. Наряду с решением x₁, у₁, z₁ у системы обязательно есть решение −x₁, −у₁, z₁. Таким образом, для единственности решения системы необходимо, чтобы эти два решения совпали. (!!)

Условие совпадения симметричных решений приведет к системе относительно а и b. Каждое из полученных значений а и b нужно проверить, так как мы воспользовались лишь необходимым условием единственности решения системы.

9.31. Подставив в первое и второе уравнения у = −x, мы получим два линейных уравнения относительно x³. Выразить из каждого уравнения x³ и приравнять эти два выражения. (!!)

Предыдущие рассуждения позволяют ограничить число рассматриваемых значений параметра а. Остается проверить, выполняются ли для каждого из оставшихся значений остальные условия задачи.

9.32. В качестве фиксированного значения b удобно выбрать b = 0. Мы придем к системе, из которой легко определить все возможные а. (!!)

Найденные значения а необходимо проверить.

9.33. Наряду с решением (x₁, у₁) система имеет решение (x₁, −у₁). Она может иметь единственное решение лишь при у = 0. Подставив это значение у, находим, что а = 0. Достаточно ли выполнение условия а = 0 для того, чтобы у системы было единственное решение?

9.34. После исключения

получится уравнение

^x²/_y² − 2^x/_y + у² + 2x − 2у = 3.

Его не следует преобразовывать в уравнение четвертой степени. Если в качестве вспомогательного неизвестного z взять некоторое выражение, содержащее x и у, то получится квадратное уравнение относительно z.

9.35. Все прямые у = а(x + 5) + 4 проходят через точку (−5; 4). Построение графика функции у = |6 − |x − 3| − |x + 1|| удобно начать с построения графика функции

у = 6 − |x − 3| − |x + 1|.

9.36. Уравнение равносильно системе

У первого уравнения есть корни

Остается выяснить, когда их два, а когда один, а также, при каких а для каждого из них удовлетворяется участвующее в системе неравенство.

9.37. Для упрощения симметрических многочленов применяют подстановку x + ¹/_x = t. Здесь возможна похожая подстановка. Наличие в числителе каждой дроби множителя x упрощает решение.

9.38. Вы упростите вычисления, если обратите внимание, что 84 693 делится на 327.

K главе 10

10.1. Ввести обозначения а = 1 + k и b = 1 − k.

10.2. Обозначим выражение, стоящее в левой части неравенства, через P. Разделив его на а₁а₂...а_n = 1, после несложных преобразований получим

Для оценки P удобно рассмотреть теперь Р² и заметить, что

10.3. Способ 1. Воспользоваться тем, что с > а и с > b, и оценить каждое слагаемое.

Способ 2. Применить свойство показательной функции, приняв во внимание, что а < с, b < с.

10.5. Использовать условие а + b + с = 1, чтобы убедиться, что неравенство будет обязательно строгим.

10.7. Показательная функция (^a/_b)^x , в силу условия задачи, является возрастающей.

10.8. Применить неравенство между средним арифметическим и средним геометрическим к произведению каждых двух чисел, равноотстоящих от концов в выражении n!.

10.9. Способ 1. В неравенстве (1 − u)(v − 1) > 0 (см. указание I на с. 141) раскрыть скобки и воспользоваться неравенством между средним арифметическим и средним геометрическим чисел uv и w.

Способ 2. Воспользоваться неравенством ^u/_v + ^v/_u > 2 (сложить его с полученным в указании I).

10.10. Оценить произведение (p − а)(p − b)(p − с) суммой этих чисел можно, воспользовавшись неравенством

xyz ≤ ^{(x + y + z)³}/₂₇ .

10.12. Зная выражения у + z и уz через x, можно записать квадратное уравнение с коэффициентами, зависящими от x, корнями которого будут у и z.

10.13. Выразив у + z и уz через x, придем к квадратному уравнению, коэффициенты которого зависят от x. Поскольку в условии сказано, что x, у и z — действительные числа, дискриминант полученного уравнения не должен быть отрицательным. (!!)

Найденные границы изменения x, в силу симметрии данных уравнений, распространяются на у и z.

10.15. Чтобы данный трехчлен был отрицательным внутри некоторого отрезка, необходимо и достаточно, чтобы на концах отрезка он принимал неположительные значения.

10.16. Доказать, что условие а > 0 несовместно с требованием, в силу которого оба корня больше а.

10.17. Так как k ≠ 0 (иначе условие задачи неосуществимо), то парабола должна иметь один корень в интервале (−1, +1), а другой вне этого интервала.

Такое расположение параболы имеет место тогда и только тогда, когда значения трехчлена в точках −1 и 1 противоположны по знаку.

10.18. Если ветви параболы будут направлены вверх и, кроме того, парабола не будет пересекать положительную полуось Оx, то мы получим расположение параболы, необходимое и достаточное для выполнения условия задачи.

10.22. Числитель и знаменатель полученной дроби должны иметь разные знаки. Приходим к совокупности двух систем.

10.23. Неотрицательный множитель можно отбросить, исключив точки, в которых он обращается в нуль. Оставшееся неравенство удобно привести к виду, в котором правая и левая части неотрицательны, и возвести в квадрат с учетом соответствующих ограничений.

10.24. При x > 0 данное неравенство можно возвести в квадрат (учтя соответствующие ограничения), так как обе его части положительны. При x < 0 неравенство исследуется аналогично.

10.25. Составить квадратное неравенство относительно

10.26. Нельзя забывать о том, что под корнем должно стоять неотрицательное число, в то время как само а может быть и отрицательным.

10.27. Данное неравенство можно переписать в виде

2^2x ≤ 3 · 2^√x · 2^x + 4 · 2^2√x.

Поделив на 2^√x · 2^x, получим неравенство, сводящееся к квадратному.

10.29. При x < 0 неравенство может удовлетворяться лишь при условии, что ^{2x − 1}/_{3 − x} = n — целое. Отберите те значения n, при которых число x оказывается отрицательным, и ответьте на вопрос, что будет при x = 0.

10.30. Выражение х³ − 5х + 2 легко разложить на множители методом группировки: (х³ − 4х) − (x − 2).

10.31. Нужно рассмотреть два случая в зависимости от расположения а относительно единицы.

10.32. Случай x = 0 исследуется непосредственной подстановкой. При x < 0 показатель степени должен быть целым числом. Здесь придется рассмотреть подслучаи в зависимости от того, будет ли это целое число четным или нечетным.

10.35. Если после приведения всех логарифмов к общему основанию перенести все члены неравенства в одну часть, то полученное выражение разлагается на множители, одним из которых будет 2 log₅ x + 1.

10.36. Обозначив log₂ (2^х − 1) = y, можно привести это неравенство к квадратному.

10.38. После решения алгебраического неравенства нужно вернуться к прежним обозначениям. При этом приходится рассмотреть различные случаи в зависимости от величины а.

10.39. Обозначить log_k x через y, после чего получится неравенство относительно y, которое решается методом интервалов.

10.40. Так как под знаком логарифма стоит число 4^х − 6, то x не может быть меньше единицы.

10.41. Разобрать случаи, позволяющие раскрыть знаки абсолютных величин. Таких случаев будет четыре.

10.42. Так как x − 2 > 0, то x − 1 > 1 и, следовательно, (x − 1)² > 1.

10.43. Из условия, что log₂ (2 − 2х²) > 0, легко вывести, что |√2 |x|- 1| ≤ 1.

10.44. Перейти от неравенств между функциями к неравенству между аргументами и учесть необходимые ограничения.

10.46. Для положительного основания (обозначим его f(x)) нужно решить две системы

которые равносильны неравенству

(f(x) − 1)(x − 4) ≥ 0.

При f(x) < 0 следует рассмотреть случаи, когда показатель степени x − 4 — четное число.

10.47. Известно, что при неположительном дискриминанте знак квадратного трехчлена не может быть противоположен знаку старшего коэффициента. Если же дискриминант положителен, то такие точки всегда найдутся.

10.48. Поскольку из ложного утверждения следует все, что угодно, решение распадается на две части: а) находим значения а, при которых первое неравенство не имеет решений, тогда из него следует второе; б) если первое неравенство имеет решения, то они не должны выйти за рамки решений второго неравенства.

10.49. Рассмотрите варианты расположения параметра а относительно интервала (1, 2). Особое внимание обратите на граничные точки этого интервала.

10.50. Неравенство

(x + 5)[(x + 3) · 2^{2 + x} − (2 + x)] > 0

при x = −5 не удовлетворяется. Остается рассмотреть случаи x + 5 < 0 и x + 5 > 0. Далее удобно рассмотреть и случаи x + 3 < 0 и x + 3 > 0 (x + 3 = 0 тоже не является решением неравенства). (!!)

Решить неравенства

удобнее, изобразив графически функции, стоящие в левой и правой частях этих неравенств.

10.52. Данное неравенство можно преобразовать к виду:

или

10.53. Левую часть неравенства следует преобразовать к виду

1 − |у|².

K главе 11

11.1. Остается заметить, что lg 2 + lg 5 = 1.

11.3. Привести уравнение к равенству степеней с одинаковыми показателями.

11.4. Обратить внимание на тот факт, что поскольку у = 3^{−|x − 2|}, то 0 < у ≤ 1.

11.7. Если обе части уравнения разделить на 2 + √3, то придем к квадратному уравнению относительно у = (2 + √3)^{x² − 2x}.

11.8. Совсем нетрудно найти один корень уравнения. Затем нужно попытаться доказать, что других решений нет. (!!)

Корнем будет x = 2. Докажите, что других корней нет, используя монотонность показательной функции.

11.10. Левую часть выразить через у = log₃(3^x − 1).

11.11. Можно обозначить log_x 7 = у, но удобнее использовать другое обозначение. Какое — станет ясно, если дополнить правую часть до полного квадрата (суммы или разности?).

11.14. Когда мы заменим log_x 4 · log₄ x единицей, получим уравнение, которое может иметь посторонний корень x = 1. Поскольку в дальнейшем нам придется потенцировать, что снова может повлечь приобретение посторонних корней, решение необходимо закончить проверкой.

11.15. При переходе к логарифмам с основанием x мы можем потерять корень. Какой?

11.16. Чтобы воспользоваться формулой модуля перехода, нужно умножить обе части уравнения на log₂ (3 + x).

11.17. Если умножить уравнение на выражение, стоящее в знаменателе, то нужно потребовать, чтобы последнее не обращалось в нуль, т. е. |x² + x − 1| ≠ 1. При потенцировании же появится еще одно ограничение.

11.18. Теперь с помощью тождества, эквивалентного определению логарифма, данное уравнение можно свести к квадратному относительно x^log_b ^a.

11.19. Нужно помнить, что √c² = |с|, и разобрать несколько случаев, предварительно оценив из условия log_а x и а. Для оценки а удобно воспользоваться неравенством t + ¹/_t ≥ 2 при t > 0.

11.20. Первое из уравнений, полученных после логарифмирования, разделить на второе и затем произвести потенцирование.

11.21. Нужно заметить, что 243 = 3⁵, 1024 = 2¹⁰. Теперь из второго уравнения системы с помощью первого нетрудно получить уравнение относительно (⅔)^y.

11.22. Для того чтобы найти ⁴√x + √у, можно второе уравнение возвести в степень ³/₂ и полученное выражение использовать для подстановки в первое уравнение системы.

11.23. Выразить 11^xz, 11^z и 11^{(x − 1)z} через

и подставить в тождество, записанное в первом указании (см. с. 146).

11.24. Если в левой части второго уравнения вынести за скобки 2^{x + 2у}, то в скобках останется выражение, аналогичное левой части первого уравнения. Его можно заменить числом 2.

11.25. Здесь удобно не заботиться о равносильности, а каждый раз получать следствия. Алгебраическая система, которая будет получена, легко сводится к уравнению относительно u = ^у/_x. Для этого нужно будет почленно перемножить входящие в нее уравнения.

11.26. При преобразовании выражений, входящих в первое уравнение (после подстановки), нужно будет воспользоваться определением логарифма.

11.27. Так как xy = 3, то либо x, либо у больше единицы. Мы убедились, что x и у положительны. Следовательно,

x + y > 1 и |log₂ (x + у)| = log₂ (x + у).

Остается рассмотреть два случая в зависимости от знака log₂ (x − у).

11.29. Воспользоваться математической записью определения логарифма: а^log_a^b = b.

11.30. Определив x, следует использовать его для упрощения третьего уравнения системы. Если третье уравнение преобразовать в алгебраическое, то посмотрите, что при этом может произойти — потеря или приобретение корней.

K главе 12

12.2. Доказательство следует начать с очевидного тождества

tg [(30° − α) + (60° − α)] = ctg 2α.

12.3. Воспользоваться тем, что

12.6. Вычислить произведение синусов несколько труднее. Удобнее найти квадрат этого произведения, записав 2 sin^{2 π}/₇ как 1 − cos ^2π/₇ и т. д.

12.7. Разделить числитель и знаменатель выражения, стоящего в правой части, на Вb.

12.8. Если заменить sin² x на k² sin² у, то sin² у можно вынести за скобки.

12.9. Выразить а² + b₂ через cos ^{α − β}/₂ .

12.10. Обозначить sin²α = а, sin²β = b, sin²γ = с и преобразовать данное равенство, выполнив сложение.

12.11. Привести к общему знаменателю и все произведения тригонометрических функций от α + ^π/₃ и α + ^2π/₃ преобразовать в сумму.

12.13. Второе слагаемое преобразуется к выражению −2 cos² 8° или cos 16° − 1.

К главе 13

13.1. Заменить √2 sin (x + ^π/₄) на sin x + cos x, после чего объединить все одночлены, содержащие cos Зx, и все оставшиеся одночлены уравнения. Это поможет получить распадающееся уравнение, y которого в правой части нуль, а левая разложена на множители.

13.2. Если левую часть представить в виде

, то получим распадающееся уравнение, которое нужно решать, следя за равносильностью.

13.3. Левую часть уравнения записать в виде

, перенести все в одну часть и вынести

за скобки. (!!)

Оставшееся в скобках выражение симметрично относительно sin x и cos x. Если привести дроби к общему знаменателю, то должно получиться достаточно простое выражение, поскольку все подобные члены будут иметь разные знаки.

13.4. Найти такие решения уравнения sin 2x sin 7x = cos 2x cos 7x, при которых cos 2x cos 7x ≠ 0.

13.5. Замена ctg x = ¹/_{tg x} приведет к появлению tg x множителем в числителе. Однако tg x не может быть равным нулю.

13.6. Воспользоваться формулой разности тангенсов и заменить полученное уравнение эквивалентной ему системой, состоящей из нового уравнения и ограничений.

13.7. Множитель sin (x + ^π/₄) входит в правую часть уравнения. Чтобы обнаружить это, достаточно заменить cos x на sin (^π/₂ − x) и привести правую часть к виду, удобному для логарифмирования.

13.8. После приведения к виду, удобному для логарифмирования, внимательно следить за равносильностью.

13.9. Так как cos ^x/₂ на интервале 0 < ^x/₂ < π меняет знак, то этот интервал придется разбить на два: 0 < ^x/₂ ≤ ^π/₂ , ^π/₂ < ^x/₂ < π.

13.10. При решении получившегося уравнения нужно правильно оценить роль параметра: если из соотношения исчезает неизвестное и остается только параметр, то при данном значении параметра неизвестное может принимать любое значение из области определения данного уравнения.

13.11. Выбор значений x, попадающих в интервал 0 ≤ x ≤ 2π, удобнее осуществить, если при решении мы постараемся воспользоваться арккосинусами, областью значений которых является указанный интервал.

13.12. Под радикалом стоит полный квадрат. Помните, что

13.13. Остается заметить, что tg x + sin x = tg x(1 + cos x), а tg x − sin x = tg x (1 − cos x). Оба этих выражения входят слагаемыми в степени ½. Множитель tg^½ x входит и в третье слагаемое. Этот множитель можно вынести за скобки, так как 1 + cos x и 1 − cos x никогда не станут отрицательными, а следовательно, равносильность в результате этого действия не нарушится. (!!)

Получаем уравнение вида tg^½ x φ(x) = 0, где φ(x) имеет смысл всегда. Это уравнение равносильно совокупности уравнения tg x = 0 и системы

(B ограничении взято строгое неравенство, так ка случай tg x = 0 учтен раньше.)

13.14. Чтобы произвести упрощения, придется воспользоваться еще одним условным тождеством ¹/_{tg 2x} = ctg 2x. Провести анализ равносильности и перейти в полученном уравнении к синусам и косинусам.

13.15. Когда в уравнение входят только sin α cos α и sin α + cos α, то одну из этих величин, например вторую, можно обозначить через y, а другую выразить через y.

13.16. Перейти к функциям x и привести уравнение к однородному, домножив 6 sin x на тригонометрическую единицу.

13.17. Воспользоваться теоремой о рациональных корнях многочлена с целыми коэффициентами.

13.18. Выразить правую и левую части через y = cos ^x/₂.

13.19. Выражение в квадратных скобках представить в виде

(1 + ctg x) + [ 1 + ctg (^π/₄ − x) ]

и воспользоваться формулой суммы котангенсов. B правой части для cos 2 x нужно выбрать выражение, которое позволит избавиться от стоящей в скобках единицы.

13.21. Относительно cos x получится биквадратное уравнение, решения которого придется исследовать.

13.24. Воспользоваться этой формулой еще раз, предварительно выделив выражение 1 + cos 2x, и получить распадающееся уравнение. (!!)

Вспомнить об условиях, при которых произведение двух косинусов равно единице.

13.25. Записывая условие одновременного равенства двух косинусов единице или минус единице, следует брать разные обозначения для целочисленного переменного.

13.26. Если перенести все в правую часть, то мы сможем образовать сумму двух неотрицательных слагаемых.

13.27. Так как cos 3x ≥ 0, а при дополнении до полного квадрата к обеим частям уравнения прибавляется ± cos x cos 3x, то знак правой части зависит от знака cos x. Это означает, что целесообразно рассмотреть три случая: cos x = 0, cos x > 0, cos x < 0. (!!)

Если cos x > 0, то целесообразно привести левую часть к квадрату разности, а если cos x < 0 — к квадрату суммы.

13.28. Поскольку минимум левой части совпадает с максимумом правой, то единственная возможность их уравнять — решить систему

13.29. При решении окажется полезной следующая идея. Если уравнение преобразуется к виду f(x) g(x) = 0, причем корни f(x) находятся легко и содержат все корни g(x), то решать уравнение g(x) не следует. Поскольку в нашем случае уравнение f(x) g(x) = 0 было получено из системы, то остается выяснить, какие из корней уравнения f(x) = 0 приведут к решению исходной системы.

13.30. Первое уравнение можно привести к виду

При подстановке 2y = ^π/₄ − x + kπ приходится рассматривать случаи k = 2p и k = 2p + 1.

13.31. Относительно и и v получится система уравнений, которую удобно решить заменой v = ut.

13.32. С помощью второго уравнения выразить y через x и подставить в первое уравнение системы.

13.33. При решении системы нам придется оба уравнения возводить в квадрат. Следовательно, в конце необходимо сделать проверку.

13.34. Получив из второго уравнения после подстановки в него найденного значения x выражение для |y|, нужно позаботиться о том, чтобы |y| ≥ 0.

13.35. Из третьего уравнения x + y = π − z. Следовательно, tg z = −tg (π − z) = −tg (x + y). (!!)

По формуле тангенса суммы и с помощью уравнения tg y = 2tg x можно выразить tg z через tg x и подставить в первое уравнение.

13.36. Получить уравнения с одинаковыми левыми частями и сравнить их. При решении квадратного уравнения обратить внимание на исследование.

13.37. Прежде чем возводить уравнения в квадрат, оставим в левой части первого уравнения sin x, а в левой части второго уравнения оставим cos x.

13.38. При решении уравнений возникнут арксинусы и арккосинусы, которые будут накладывать ограничения на а. Следует ли к этим ограничениям добавлять |а| ≤ 1, |а + ½| ≤ 1, что вытекает непосредственно из условия?

13.39. Оценив правую и левую части уравнения, обнаружим, что равенство возможно лишь в случае, если обе равны четырем. B результате уравнение сводится к системе. B частности, следует обратить внимание на то обстоятельство, что левая часть равна 4 лишь при tg x = tg y = 1.

13.40. Способ 1. Преобразовать уравнение в сумму квадратов и заменить системой.

Способ 2. Уравнение преобразуется к сумме двух неотрицательных выражений, которая равна нулю. B результате получим систему

13.41. Способ 1. После преобразования данное уравнение примет вид

Первые два члена дополнить до полного квадрата и получить сумму неотрицательных слагаемых, которая равна нулю.

Способ 2. Уравнение можно записать в виде

(1 − cos x) cos y + sin x sin y = ³/₂ − cos x

и рассмотреть левую часть как однородное выражение относительно sin y и cos y. Остается оценить выражение A cos y + B sin y и правую часть уравнения.

13.42. Способ 1. Обозначив tg x = z, tg а = с, мы придем к выражению, которое должно быть тождеством относительно x. Остается вспомнить условие тождественного равенства двух многочленов.

Способ 2. Так как равенство

tg x + tg (а − x) + tg x tg (а − x) = b

должно выполняться тождественно, т. е. при всех x, то оно должно быть верным и для конкретных значений x, например при x = 0 и x = ^π/₄ . Найденные в результате значения а и b нуждаются в проверке.

13.43. На первый взгляд кажется естественным воспользоваться оценкой

sin² x + ¹/_{sin² x} ≥ 2, cos² x + ¹/_{cos² x} ≥ 2.

Однако это очень грубая оценка. B самом деле, если для одного из выражений достигается равенство, то другое обращается в бесконечность.

Следовательно, нужно преобразовать левую часть уравнения так, чтобы sin² x и cos² x не были разъединены. С этой целью удобно раскрыть скобки и заменить

sin⁴ x = ¼ (1 − cos 2x)², cos⁴ x = ¼ (1 + cos 2x)².

13.44. Левую часть выражения

sin 2x − sin x cos 2x = ³/₂ ,

к которому приводится данное уравнение, удобно рассмотреть как A sin 2x + B cos 2x, где А = 1, B = -sin x, и оценить.

13.45. Задача сводится к уравнению типа sin α + cos β = 2, которое равносильно системе: sin α = 1, cos β = 1.

13.46. Найдя y из квадратного уравнения, следует использовать и его выражение через x (см. указание I, с. 150). При такой замене появляется опасность приобретения посторонних корней.

13.47. Данную систему уравнений удобно переписать в виде

Легко заметить, что следствием полученной системы является уравнение cos 7x = 0, содержащее в качестве корней не только все числа, для которых cos x = 0, но и все корни второго уравнения. B самом деле, при cos 7x = 0 получим cos² ^7x/₂ = 1 и, следовательно, cos² ^x/₂ = ½ . Остается отсеять посторонние значения x.

13.48. Левая и правая части преобразуются к виду, когда в знаменателе и в числителе появляются общие множители. Нужно следить за ограничениями, а в конце провести отбор решений.

13.49. Все ограничения можно объединить: sin 4x ≠ 0. Эти значения нужно исключить из решений уравнения, полученного после преобразований.

13.50. Следить за равносильностью всех преобразований. Отобрать среди корней числителя те, которые не обращают в нуль знаменатель.

13.51. Из полученных значений t нужно отбросить те, для которых sin t = 0, cos t = 0 и cos 2t = 0, а также (это будет видно в процессе преобразований) cos 2t = ½. Первые три ограничения можно объединить: sin 4t ≠ 0.

К главе 14

14.4. Когда мы заменим sin 2x и cos 2x на их выражения через tg x, могут быть потеряны те решения неравенства, при которых sin 2x и cos 2x существуют, а tg x не существует. Однако tg x входит в правую часть данного неравенства, а потому значения x, при которых tg x не существует, не могут быть решениями этого неравенства.

14.5. Способ 1. Чтобы найти секторы круга, в которых tg 2 x ≤ 0, нужно вначале построить радиусы, соответствующие углам, для которых tg 2x = 0 и tg 2x не существует.

Способ 2. B результате применения формулы тангенса двойного угла возможна потеря решений: из области определения выпадают точки, в которых cos x = 0.

14.8. Так как коэффициент при старшем члене положителен, то знаки корней зависят от знака свободного члена.

14.10. Найти те значения k, при которых полученное неравенство осуществимо.

14.11. Воспользоваться тем, что sin x + cos x = √2 cos (x − ^π/₄), и решить неравенство относительно y = cos (x − ^π/₄).

14.12. Произведение cos x cos 3x, стоящее в знаменателе, выразить через cos 2x. Получится алгебраическое неравенство относительно y = cos 2x.

14.13. При возведении неравенства в квадрат достаточно потребовать, чтобы cos x ≥ 0.

14.15. Обозначить sin α через y и разложить получившийся многочлен третьей степени на множители, воспользовавшись теоремой о делителях свободного члена и первого коэффициента.

14.16. Выражение

можно преобразовать, воспользовавшись разложением sin 3x = sin (2x + x).

14.17. Так как абсцисса вершины параболы оказывается внутри интервала −1 < z < 1, а сама парабола направлена рогами вверх, то условие задачи равносильно тому, что ордината вершины положительна.

К главе 15

15.1. Неравенство сводится к квадратному, если положить log_{sin x} 2 = y. При этом необходимо следить за равносильностью преобразований.

15.3. Поскольку основание логарифма больше единицы, неравенство между логарифмами можно заменить таким же неравенством между cos x и tg x.

15.4. Остается перейти к системе тригонометрических неравенств, равносильной логарифмическому неравенству. При этом нужно помнить, что все функции, стоявшие в условии под знаками логарифма, должны быть положительными.

15.5. Для дальнейшего нужно иметь в виду, что условие 0 < |а| < 1 не равносильно неравенству −1 < а < 1.

15.6. При дальнейшем решении мы столкнемся с выбором целочисленного аргумента. Следует помнить, что мы имеем дело с |lg x|, а не с lg x.

15.7. Неравенство равносильно условию, что знаменатель положителен, если при этом arccos (x² − 3x + 2) существует и отличен от нуля.

15.8. Если 1 − x > 0, то правая и левая части неравенства попадают в интервал от 0 до ^π/₂ , который является общим интервалом монотонности для тангенса и косинуса. Если взять косинус от правой и левой частей неравенства, а знак неравенства изменить на противоположный, то получим неравенство, равносильное данному.

15.9. Неравенство 4x − x² − 3 > 1 удовлетворяется лишь при x = 2. Докажите, что тогда оба сомножителя должны быть раны единице.

15.10. Первая система не имеет решения, поскольку из условия А = 0 следует, что tg x = 1. Но tg x стоит в основании логарифма и не может быть равным единице. Остается решить вторую систему, которую можно упростить, заметив, что tg x > 1.

К главе 16

16.3. При исследовании нужно помнить, что отрицательное число в дробной степени не имеет для нас смысла.

16.4. Решив простейшее тригонометрическое уравнение, получим показательное уравнение, которое нужно исследовать, в зависимости от значений, принимаемых целочисленным аргументом.

16.5. Вспомнить, когда произведение синусов и косинусов может равняться единице.

16.7. Полученное уравнение легко решить, если записать sin³ x = = sin x (1 − cos² x). При решении распадающегося уравнения, которое получится в результате такой замены, нужно постоянно иметь в виду ограничения.

16.8. При решении удобно на время забыть о возникающих ограничениях, а в конце проверить, для каких из найденных значений неизвестного они выполняются.

16.9. Использовать тот факт, что x > 0.

16.10. При исследовании полезно иметь в виду, что cos x ≤ 1 и дискриминант квадратного уравнения не должен быть отрицательным.

16.11. Удобно отдельно рассмотреть случаи а ≤ −1, а ≥ −1, когда данное уравнение имеет неотрицательный дискриминант.

16.12. Вы должны получить систему, состоящую из двух уравнений, трех неравенств и двух ограничений ≠.

16.13. Обозначив 4^{cos² πx} через u (u > 0), найдем, что левая часть, равная ⁴/_u + u, не может стать меньше 4. Чтобы оценить квадратный трехчлен, стоящий в правой части, можно выделить полный квадрат.

16.14.

К главе 17

17.1. Осуществить замену переменных: x − 1 = y, 2x + 1 = z. Найти f(y) и g(z), что равносильно знанию f(x) и g(x).

17.2. Уравнение f(f(x)) = 0 имеет корни x₁ = 0 и x₂ = 3. Исследование функции y = x³ − 6x² + 9x − 3 позволит определить число оставшихся корней интересующего нас уравнения.

17.3. Первое уравнение после подстановки примет вид

5 · 2^{x² − 2xy + 1} = (1 + 2k)3^{y² − 1},

k — целое. При каких y в правой части не будет множителя 3?

17.4. Полученное после подстановки квадратное уравнение относительно z имеет дискриминант, равный (3y − ¹/_y)² , что позволяет непосредственно рассмотреть возможные корни.

17.5. Касание функций f(x) и F(x) в точке М₀(x₀; y₀) означает совпадение ординат f(x₀) и F(x₀), а также угловых коэффициентов касательных при x = x₀, т. е. значений f′(x₀) и f(x₀).

17.6. Будьте внимательны в отношении точек границы множества решений и определите, какие из них принадлежат этому множеству, а какие не принадлежат.

17.7. Прямая y = −x позволит отсечь от части плоскости, координаты точек которой удовлетворяют первому неравенству — фигуру, площадь которой нас интересует.

17.8. Прямые AC и BD пересекаются в точке E(4; 4). Прямая BC параллельна оси абсцисс и пересекает ось ординат в точке G. Через точку D проведем прямую DF, параллельную оси абсцисс и пересекающую ось ординат в точке F, а прямую AC — в точке H. Пусть CK — перпендикуляр, опущенный из точки С на FD. Теперь искомую площадь легко найти через площадь прямоугольника FGCK и прямоугольных треугольников, которые будут изображены на рисунке после всех проведенных выше построений.

17.9. После замены переменных и простых преобразований исходные неравенства примут вид

Проекция множества решений этой системы рассматривается на прямую u = 2. Левую часть первого из неравенств рассмотрите как функцию второго порядка относительно u, где зависящие от v коэффициенты — параметры. Тогда можно сформулировать условия существования решений в зависимости от значений v. (Куда направлены ветви параболы и каков знак дискриминанта.) (!!)

Придется рассмотреть существование решений первого неравенства при u > 1 для разных случаев относительно коэффициента при u² функции f(u), т. е. v² − 1 > 0; v² − 1 = 0; v² − 1 < 0.

17.10. Если а — целое, то дискриминант данного уравнения есть квадрат целого числа, т. е. а² − 2а − 19 = n². Отсюда (а − 1)² − n² = 20. Левую часть нужно представить в виде произведения целых чисел.

17.11. Случаи, когда y = 0 нужно рассмотреть отдельно. Определить соответствующие а и для каждого из них решить исходное уравнение. До этого выводов о числе корней исходного уравнения делать не следует.

17.12. Исходное уравнение при y = sin 4x преобразуется к виду

(а + 3)y² + (2а − 1)y + (а − 2) = 0,

где |y| ≤ 1.

Исследуйте отдельно случаи D = 0 и D > 0, для каждого из которых найдите значения а, удовлетворяющие условию, в силу которого равно восемь решений исходного уравнения (см. условие задачи) попадают на отрезок [−π, π]. (!!)

При замене переменной z = 4x получаем уравнение

(а + 3) sin² z + (2а − 1) sin z + (а − 2) = 0,

или

(а + 3)y² + (2а − 1)y + (а − 2) = 0,

где y = sin z; |y| ≤ 1.

Если существует решение второго уравнения y₁ ∈ (−1, 1), т. е. y₁ лежит внутри интервала (−1, 1), то этому y₁ соответствуют ровно два значения z ∈ (−π, π) и ровно восемь значений x ∈ (−π, π). (Для z период синуса равен 2π, а для x = ^z/₄ период синуса уменьшится в 4 раза и будет равен ^π/₂, т. е. внутри каждого интервала длиной ^π/₂ мы получим два решения для x, а внутри интервала (−π, π) таких решений будет восемь.)

17.13. Если (x, y) — фиксированная точка плоскости и через эту точку проходит кривая семейства, то должно существовать, по крайней мере одно соответствующее ей значение параметра а. Рассмотрев уравнение семейства кривых как уравнение относительно а, мы и получим соответствующие ограничения.

К главе 18

18.1. Этих трех уравнений достаточно; чтобы ответить на вопрос задачи, нужно из первого уравнения вычесть поочередно второе и третье.

18.2. Найти минимум P.

18.3. Так как числа 20, 21 и 23 очень близки, то дальше удобно рассуждать, предполагая, что все 500 марок расклеены по 20 на один лист — тогда двух альбомов заведомо не хватит, и по 23 на один лист — тогда в двух альбомах останется не менее одного пустого листа.

18.4. Легко доказать, что x = y. B самом деле, первый и второй понтоны прошли весь путь за равное время, т. е.

откуда

Так как v ≠ 0 и u ≠ 0, то x = y.

18.5. При решении уравнений нужно помнить, что x и y — цифры, а потому число их возможных вариаций ограничено.

18.6. Цена второй части бриллианта l(p − x)². Остается сравнить цену двух частей с ценой целого бриллианта.

18.7. Удобнее ввести в рассмотрение нормы расхода горючего, отнесенные к часу работы двигателя, так как нормы расхода на километр пути в стоячей воде пришлось бы пересчитывать на нормы для движения против течения.

18.8. Решать систему уравнений нужно методом исключения. При этом последнее уравнение будет содержать два неизвестных, одним из которых должно быть s. Использовать условие y > s и решить это уравнение в натуральных числах.

18.9. Путь отрезок AC вниз по течению пароход проходит за (40 − ^x/₂) ч, а тот же путь вверх по течению — за (48 − ^x/₂) ч. Это позволяет найти скорость течения.

18.10. B качестве неизвестных удобно выбрать скорости пловцов и расстояние AC.

18.11. Если раствор занимал первоначально x-ю часть сосуда, то чистой кислоты в нем было ^xp/₁₀₀, а долили (1 − x)^q/₁₀₀ чистой кислоты. Концентрация полученного таким образом раствора равна

p₁ = px + (1 − x)q.

Мы получили рекуррентную формулу для р_k — концентрации после k циклов. Остается выразить р_k через p.

18.12. Чтобы вычислить расстояние между пунктами первой и второй встречи, нужно сначала определить время между этими двумя встречами, т. е. разделить длину отрезка между пунктом первой встречи и пунктом B на сумму скоростей. Полученное выражение нужно умножить на скорость автомобиля. B результате получим уравнение

Два уравнения, в которых используются оставшиеся условия задачи, составить нетрудно. Одно из них будет линейным, а другое — уравнением второй степени.

Решение системы трех уравнений рациональнее начать с решения относительно ^x/_y полученного выше уравнения.

18.13. Стоимость автобусного билета А может быть использована только для того, чтобы определить расстояние до встречи с поездом, которое пассажиру пришлось бы проехать на такси. Эта поездка обошлась бы ему в (А + ax − B) p. и пройденное машиной расстояние составило бы

Условие задачи позволяет составить три уравнения, приравнивая различные выражения для одинаковых отрезков времени: а) время, которое заняла поездка сначала на такси, а затем на автобусе, равно времени, за которое поезд прошел тот же путь за вычетом t; б) если бы пассажир догонял поезд на такси, то догнал бы его на расстоянии x + ^{А — B}/_a км; в) остается использовать разность времен, которые входят в а) и б), и приравнять ее τ.

18.14. Условия задачи позволяют составить два уравнения, которые получатся в результате сравнения времени, за которое каждый поезд проходит весь путь без остановки, с временем, за которое поезд проходит этот же путь с остановкой и последующим увеличением скорости. (!!)

Прежде чем решать полученную систему двух уравнений с двумя неизвестными, нужно выразить через введенные неизвестные и ту величину, которая нас интересует.

18.15. Для решения задачи нам понадобятся два уравнения, которые мы получим, приравнивая промежутки времени до первой и второй встреч. Тот факт, что самолет вернулся в А, а вертолет прилетел в B, мы используем после того, как определим их скорости. Это позволит нам вычислить нужные отрезки времени для ответа на вопрос задачи.

18.16. Составить два уравнения относительно x и y нетрудно. Достаточно записать, чему равно время на путь от M до N и на путь от N до M, и вспомнить, что обе эти величины известны.

18.17. Данные в условии ограничения записать в виде системы неравенств и решить эту систему.

18.18. После того как заказчик выяснил, что выгоднее всего заказывать комплекты по 40 деталей, а наименее выгодны комплекты по 70 деталей, он должен позаботиться о том, чтобы общая сумма деталей равнялась 1100. При этом он будет стремиться заказать как можно больше дешевых комплектов и как можно меньше самых дорогих.

К главе 19

19.1. Свести задачу к сравнению (^{n + 1}/_n)ⁿ и числа 2.

19.2. Нужно использовать условие, в силу которого а_р, a_q, а_r и a_s образуют геометрическую прогрессию. Это удобнее сделать так: a²q = а_ра_r и т. п. (!!)

Остается выразить p − q, q − r и r − s через а_р, a_q, а_r и a_s и убедиться, что (p − q)(r − s) = (q − r)².

19.3. При составлении разностей а − b, b − с и с − а удобнее пользоваться представлением чисел a, b и с с помощью арифметической прогрессии.

19.4. Воспользоваться тем, что log_x ^b/_a = log_x ^с/_b (числа a, b, с образуют геометрическую прогрессию).

19.5. Вынести за скобки ⁷/₉.

19.6. Под знаком квадратного корня стоит полный квадрат ¹/₉(10²ⁿ − 2 · 10ⁿ + 1).

19.7. После исключения получим уравнение относительно а1 и а₃, из которого следует, что а₁ = а₃.

Так как а₁ = а₃, то

Рассмотрите систему: а₁ = а₂, а₂ = а₃.

19.9. Теорема Виета, записанная для данного уравнения, приведет к системе уравнений относительно x₁ и q (уравнение, в которое входит а, можно не рассматривать). Удобнее найти сначала q.

19.10. Записать произведение n первых членов и воспользоваться тем, что а₁ = √2.

19.11. Если цифру сотен обозначить через а, а разность прогрессии — через d, то число делится на 5, когда либо а + 2d = 0, либо а + 2d = 5; оно же делится на 9, если а + (а + d) + (а + 2d) делится на 9. Остается воспользоваться тем, что а, а + d и а + 2d — цифры.

19.13. B задаче спрашивается, сколько комбайнов было в колхозе. Эту величину мы обозначим через n. Условия задачи позволяют составить три уравнения. При этом левая часть уравнения, соответствующего работе по плану, представляет собой сумму членов арифметической прогрессии. (!!)

При решении системы уравнений нужно исключить x и y.

19.14. При решении уравнений нужно иметь в виду, что нас интересуют только а и q.

19.15. Двух уравнений достаточно для решения задачи, так как нас интересуют не сами числа а, b и с, а отношение каких-либо двух из них. Поскольку полученные результаты использования условий задачи уравнения однородны относительно а, b и с, то определить интересующую нас величину нетрудно.

19.16. Так как предел (¼)ⁿ при n → ∞ равен нулю, то а_n и b_n имеют общий предел.

19.17. Члены двух арифметических прогрессий, имеющих первый член, равный нулю, могут снова образовать арифметическую прогрессию в том и только в том случае, если разность одной прогрессии кратна разности другой прогрессии.

К главе 20

20.1. Воспользоваться оценкой

¹/_{(1 + k)²} < ¹/_{(1 + k)k}.

20.2. Воспользоваться тем, что

20.4. Умножить правую часть на а − 1 и привести ее к виду

20.5. Разбить полученную сумму на три алгебраических слагаемых: 2n, произведение n на сумму чисел от 1 до n − 1 и сумму квадратов этих же чисел.

20.6. Бесконечная геометрическая прогрессия имеет сумму, если она бесконечно убывающая, т. е. |2x| < 1.

20.8. Рассмотреть разность S_n − S_nx², в которой выделить геометрическую прогрессию.

20.9. Полученные равенства сложить и воспользоваться известными формулами для S_n, S_n², S_n³.

20.10. Подсчитайте число четных (нечетных) членов, стоящих до n-й группы.

20.11. Каждое слагаемое после домножения на 2 sin ^π/_2n представить в виде разности косинусов.

20.12. Нетрудно заметить, что ряд 2S отличается от ряда S на величину, которая легко может быть сосчитана.

20.13. Запишем два соседних члена ряда:

Если первый член разделить на 2 и вычесть из второго, получим

Это должно подсказать соответствующую процедуру с рядами. Только не забудьте предварительно обозначить искомую сумму через S.

К главе 21

21.1. Так как сосед справа и сосед слева неразличимы, то можно любого из сидящих оставить на месте, а остальных попросить пересесть на место, симметричное относительно того, кто остался на своем месте.

21.2. Обратить внимание на то, что, вычитая перестановки, в которых на первом месте стоит элемент а₁, и перестановки, в которых на втором месте стоит элемент а₂, мы некоторые перестановки вычтем дважды.

21.3. Поскольку в нашем распоряжении имеются семь разрядов, то выбрать места для трех двоек можно

способами.

21.4. Число не может начинаться с цифры 0. На сколько больше чисел мы получим, если не учтем это обстоятельство?

21.5. Экскурсантов для заселения первой каюты можно выбрать

способами, вторую каюту нужно заселить четырьмя из оставшихся и т. д.

21.6. Доказать, что

.

21.7. После упрощений мы придем к квадратному уравнению относительно n и k, которое нужно решить в целых числах. Удобнее решать это уравнение относительно k.

21.8. Все получившиеся после раскрытия скобок члены не будут подобными. Остается сосчитать их число.

21.9. Если n — 1 < k ≤ 2(n — 1), то члены, содержащие x^k, могут быть получены лишь в результате перемножения членов суммы x^{k − n + 1} + ... + ... + x^{n — 1}.

21.10. Мы приходим к неравенству

, решить которое можно, придавая различные значения параметру k. B качестве таких значений удобно выбрать номера двух членов разложения, стоящих рядом с десятым членом.

21.11. Наиболее удобной является группировка

После того как мы применим формулу бинома и к (1 + x²)^k, получим, что в общем члене содержится x^{100 − (5k − 2m)}. Остается выяснить, принимает ли 5k − 2m все значения от 0 до 100, и если не все, то сколько значений окажутся пропущенными. Следует иметь в виду, что m, k = 0, 1, ..., 20, но m ≤ k.

21.12. Для получения рекуррентной формулы достаточно разобрать два случая: а) в первой группе один элемент (а₁); б) в первой группе два элемента (а₁, а₂).

21.13. Чтобы получить рекуррентную формулу, связывающую M_n и M_{n + 1}, где через M_n обозначен ответ задачи, нужно найти число точек пересечения (n + 1)-й прямой со всеми остальными. Как с этим числом связано количество вновь образовавшихся областей?

Рекуррентное соотношение будет иметь вид

M_{n + 1} = M_n + m + n + 1

К главе 22

22.2. После того как найдена сумма двух первых слагаемых, можно воспользоваться формулой синуса суммы, так как третье слагаемое положительно, но меньше ^π/₄, и вся сумма не больше ^π/₂.

22.4. Так как оба слагаемых расположены в интервале [0, ^π/₂], то все тригонометрические функции от них неотрицательны.

22.5. Воспользоваться формулами приведения с тем, чтобы под знаком арккосинуса стоял косинус, а не синус.

22.9. Если перенести acrsin ^3x/₅ в правую часть и взять синусы от обеих частей, то в предположении, что x > 0, получим уравнение, равносильное данному.

22.10. После взятия косинусов от обеих частей уравнения получится иррациональное уравнение, при решении которого возможно приобретение посторонних корней.

22.11. Так как обе части лежат в интервале (−^π/₂, ^π/₂), то от обеих частей данного уравнения можно взять тангенсы, что не нарушит равносильности.

22.13. Ясно, что в результате взятия котангенсов от обеих частей равенства мы можем получить посторонние корни, так как у неравных углов могут быть равные котангенсы. Однако возможна и потеря корней, если в интервал изменения углов попадает значение kπ.

К главе 23

23.6. Способ 1. B тождестве cos (x + T)² = cos x² удобно выбрать x = 0 и x = √2 T. Вместо второго значения можно выбрать другое иррациональное число.

Способ 2. Если у функции есть период T_r, то x₁ + T = x_m, x₂ + T = x_k, где x_i − i-й положительный корень функции. Исключив T, получим равенство, которое нужно привести к противоречию.

23.8. Предположить, что функция имеет меньший положительный период, чем наименьшее общее кратное периодов cos ^3x/₂ и sin ^x/₃. Записать тождество и привести его к противоречию, преобразовав разность синусов и разность косинусов в произведения.

К главе 24

24.1. Получившийся квадратный трехчлен можно разложить на множители. Однако такой прием исследования здесь не подойдет, так как аргумент, от которого зависит квадратный трехчлен, сам является функцией от x. Используйте другой прием для исследования квадратного трехчлена.

Выделите полный квадрат.

24.2. Данную функцию удобно записать в виде разности косинусов, поскольку в аргумент каждого синуса входит 2 x — единственное слагаемое, зависящее от x.

24.3. Для этого вынести sin x cos x за скобки.

24.4. А = x + y + 1.

24.5. Найдя наименьшее значение y в каждом из пяти интервалов, мы сравним эти значения друг с другом.

24.6. Для функции y = x + ^а/_x мы можем неравенство применить непосредственно и написать

x + ^a/_x ≥ 2√a .

Для данной же функции нужно иметь семь слагаемых, содержащих в знаменателе x, чтобы погасить влияние x⁷. (!!)

Представить ^a/_x в виде суммы семи одинаковых слагаемых ^a/_7x.

24.8. Выразить боковую поверхность как функцию только а + b.

24.9. Удобно ввести угол α между диагональю шестиугольника и диагональю квадрата. Этот угол можно будет найти из условия, что диагонали квадрата взаимно перпендикулярны и должны принимать наибольшую возможную величину.

24.10. B условии сказано, что x — действительное число. Следовательно, дискриминант полученного квадратного уравнения не должен быть отрицательным. Это накладывает ограничения на y.

24.11. Чтобы решить систему

удобнее всего найти решение системы уравнений xy = 36 и x + y = 12, где x = ab, y = 5с.

24.12. Данная функция может быть записана в виде

Обратите внимание на второе слагаемое. Когда оно достигает своего минимума?

24.13. Если acrsin x = α, acrcos x = β, то

α³ + β³ = (α + β)³ − 3αβ(α + β) = ^π³/₈ − ^3π/₂ αβ.

Минимум функции достигается при α > 0 (β не может быть отрицательным), а максимум — при α < 0. Если α > 0, то появляется возможность применить оценку, в силу которой αβ ≤ (^{α + β}/₂)².

24.15. После того как система приведена к виду

Теперь нужно ввести новые переменные. А лучше сразу обратить внимание на то, что эти переменные — синусы и косинусы двух углов. (!!)

Левая часть входящего в систему неравенства не что иное, как выражение для синуса суммы. Поэтому она не больше 1, т. е. последнее условие есть равенство. Не забудьте, что нужно найти min (y + w). Поэтому искать следует в области, где y < 0 и w < 0.