2. Рівносильні нерівності. Теореми про рівносильність нерівностей.

2. Основним загальним методом розв’язування нерівностей, як і рівнянь, є метод перетворень. Такі перетворення повинні бути тотожними або рівносильними, бо в противному випадку ми можемо втратити або одержати сторонні корені. Для того, щоб щоразу не перевіряти чи рівносильними були перетворення, в математиці доводять відповідні теореми. Спочатку введемо означення понять „розв’язок нерівності”, „множина розв’язків нерівності”, а потім доведемо теореми про рівносильність нерівностей.

Означення: розв’язком нерівності f(x)>g(x) називається таке значення х₀єX, яке перетворює нерівність із змінною в істинну числову нерівність f(х₀)>g(х₀).

Означення: сукупність усіх розв’язків нерівності прийнято називати множиною розв’язків нерівності або множиною розв’язків нерівності із змінною називається множина істинності відповідного предикату.

Означення: дві нерівності із змінними, називаються рівносильними, якщо вони задані на одній і тій самій множині і множини їх розв’язків співпадають.

Означення: дві нерівності із змінною, які задані на одній і тій самій множні, називаються рівносильними, якщо всі розв’язки однієї нерівності є розв’язками другої нерівності і навпаки.

Дві нерівності можуть бути рівносильними в одній числовій області і нерівносильними в інший числовій області.

Теорема 1: якщо вираз (x) визначений для всіх хХ, то нерівність f(x)>g(x) (І) рівносильна нерівності f(x)+(x)>g(x)+(x) (II).

Доведення.

Для доведення теореми використаємо означення рівносильних нерівностей. Саме тому доведення складатиметься з двох частин. У першій слід показати, що кожен розв’язок нерівності (І) є розв’язком нерівності (ІІ), а в другій – що кожен розв’язок нерівності (ІІ) є розв’язком нерівності (І). Нехай Т₁Х є множиною розв’язків нерівності (І), а Т₂Х є множиною істинності нерівності (ІІ). Виберемо довільне х₀, яке належить множині Т₁ і підставимо його у нерівність (І). Тоді вона перетвориться в істинну числову нерівність f(х₀)>g(х₀).

За умовою теореми вираз (x) визначений при всіх хХ, а оскільки х₀Т₁Х, то підставивши його у вираз (x), ми одержимо числовий вираз (х₀). Виконавши у цьому виразі відповідні дії, ми одержимо число. Оскільки f(х₀)>g(х₀) ‑ істинна числова нерівність, а (х₀) - числовий вираз, визначений для всіх хХ, то на основі властивостей істинних числових нерівностей нерівність f(х₀)+(х₀)>g(х₀)+(х₀) - буде істинною числовою нерівністю. Отже, х₀ – розв’язок нерівності (ІІ).

Значення х₀ в множині Т₁ ми вибирали довільно, а тому наші міркування можна повторити відносно будь-якого хєТ₁. Істинну числову нерівність f(х₀)+(х₀)>g(х₀)+(х₀) ми можемо одержати із нерівності (ІІ), замінивши в ній х на х₀, а це означає, що х₀ є розв’язком нерівності (ІІ). Отже, наші міркування можна повторити для будь-якого х₀єТ₁. Це означає, що кожен розв’язок нерівності (І) є розв’язком нерівності (ІІ), тобто Т₁Т₂. Таким чином, першу частину теореми доведено.

У другій частині доведемо, що кожен розв’язок нерівності (ІІ) є розв’язком нерівності (І). Нехай Т₁Х є множиною розв’язків нерівності (І), а Т₂Х є множиною істинності нерівності (ІІ). Виберемо довільне у₀, яке належить множині Т₂ і підставимо його у нерівність (ІІ). Тоді вона перетвориться в істинну числову нерівність f(у₀)+(у₀)>g(у₀)+(у₀). За умовою теореми вираз (x) визначений при всіх хХ, а оскільки у₀Т₂Х, то підставивши його у вираз (x), ми одержимо числовий вираз (у₀). Виконавши у цьому виразі відповідні дії, ми одержимо число. Оскільки f(у₀)+(у₀)>g(у₀)+(у₀) ‑ істинна числова нерівність, а (у₀) - числовий вираз, визначений для всіх хХ, то на основі властивостей істинних числових нерівностей нерівність f(у₀)>g(у₀) буде істинною числовою нерівністю.

Значення у₀ в множині Т₂ ми вибирали довільно, а тому наші міркування можна повторити відносно будь-якого хєТ₂. Істинну числову нерівність f(у₀)>g(у₀) ми можемо одержати із нерівності (І), замінивши в ній х на у₀, а це означає, що у₀ є розв’язком нерівності (І). Отже, наші міркування можна повторити для будь-якого у₀єТ₂. Це означає, що кожен розв’язок нерівності (ІІ) є розв’язком нерівності (І), тобто Т₂Т₁. Таким чином, другу частину теореми доведено. У першій частині ми довели, що Т₁Т₂, а другій, що Т₂Т₁. Тоді на основі означення рівності множин Т₁=Т₂. Це означає, що кожен розв’язок нерівності (І) є розв’язком нерівності (ІІ). Таким чином, теорему доведено повністю, тобто нерівності (І) і (ІІ) рівносильні.

Теорема 2: якщо вираз (х) визначений і набуває додатних значень при всіх хХ, то нерівність f(x)>g(x) (I) рівносильна нерівності f(x)(x)>g(x)(x) (III).

Доведення теореми 2 складатиметься з двох частин і проводиться аналогічно до доведення теореми 1 або теореми 3. Саме тому пропонуємо студентам довести цю теорему самостійно.

Теорема 3: Якщо вираз (х) визначений і набуває від’ємних значень при всіх хХ, то нерівність f(x)>g(x) (I) рівносильна нерівності f(x)(x)<g(x)(x) (IV).