2021/Prelim/HCI/P1/Q3

  1. (i)

    不使用计算器,解不等式 2x2+3x2x2+x−1≤12x+2\frac{2x^2 + 3x}{2x^2 + x - 1} \le \frac{1}{2x + 2}。

  2. (ii)

    利用第 (i) 部分的答案,求不等式
    2cos⁡2x+3cos⁡x2cos⁡2x+cos⁡x−1≤12cos⁡x+2,\frac{2\cos^2 x + 3\cos x}{2\cos^2 x + \cos x - 1} \le \frac{1}{2\cos x + 2},
    在 −π≤x≤π-\pi \le x \le \pi 范围内的 xx 取值,答案用精确形式表示。

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完整解法

9(i)

1. Rearrange the inequality to compare with zero and factorise the denominators.

2x2+3x2x2+x−1−12x+2≤0\frac{2x^2 + 3x}{2x^2 + x - 1} - \frac{1}{2x + 2} \le 0
2x2+3x(2x−1)(x+1)−12(x+1)≤0\frac{2x^2 + 3x}{(2x - 1)(x + 1)} - \frac{1}{2(x + 1)} \le 0

2. Combine the fractions over a common denominator and simplify.

2(2x2+3x)−(2x−1)2(2x−1)(x+1)≤0\frac{2(2x^2 + 3x) - (2x - 1)}{2(2x - 1)(x + 1)} \le 0
4x2+6x−2x+12(2x−1)(x+1)≤0\frac{4x^2 + 6x - 2x + 1}{2(2x - 1)(x + 1)} \le 0
4x2+4x+12(2x−1)(x+1)≤0\frac{4x^2 + 4x + 1}{2(2x - 1)(x + 1)} \le 0

3. Factorise the numerator into a perfect square.

(2x+1)22(2x−1)(x+1)≤0\frac{(2x + 1)^2}{2(2x - 1)(x + 1)} \le 0

4. Analyse the signs of the factors to deduce the solution.

Since (2x+1)2≥0(2x + 1)^2 \ge 0 for all real xx, the fraction is ≤0\le 0 when the denominator is strictly negative, or when the numerator is exactly zero.
The numerator is zero when x=−12x = -\frac{1}{2}.
The denominator is negative when (2x−1)(x+1)<0(2x - 1)(x + 1) < 0, which gives −1<x<12-1 < x < \frac{1}{2}.
Since x=−12x = -\frac{1}{2} is included in this interval, the overall solution is:
−1<x<12-1 < x < \frac{1}{2}

答案

−1<x<12-1 < x < \frac{1}{2}

9(ii)

1. Solve the inequality from part (i) concisely to obtain the valid range of values.

Let the variable in part (i) be y:\text{Let the variable in part (i) be } y:
2y2+3y(2y−1)(y+1)−12(y+1)≤0\frac{2y^2 + 3y}{(2y - 1)(y + 1)} - \frac{1}{2(y + 1)} \le 0
4y2+4y+12(2y−1)(y+1)≤0  ⟹  (2y+1)22(2y−1)(y+1)≤0\frac{4y^2 + 4y + 1}{2(2y - 1)(y + 1)} \le 0 \implies \frac{(2y + 1)^2}{2(2y - 1)(y + 1)} \le 0
Since (2y+1)2≥0, we require (2y−1)(y+1)<0 or (2y+1)2=0\text{Since } (2y + 1)^2 \ge 0 \text{, we require } (2y - 1)(y + 1) < 0 \text{ or } (2y + 1)^2 = 0
  ⟹  −1<y<12\implies -1 < y < \frac{1}{2}

2. Substitute $\cos x$ into the solution of part (i).

Comparing the given inequality with part (i), we substitute y=cos⁡x:\text{Comparing the given inequality with part (i), we substitute } y = \cos x:
−1<cos⁡x<12-1 < \cos x < \frac{1}{2}

3. Solve the trigonometric inequalities for $x$ in the domain $-\pi \le x \le \pi$.

For cos⁡x<12 in the domain −π≤x≤π:\text{For } \cos x < \frac{1}{2} \text{ in the domain } -\pi \le x \le \pi:
x∈[−π,−π3)∪(π3,π]x \in \left[-\pi, -\frac{\pi}{3}\right) \cup \left(\frac{\pi}{3}, \pi\right]
For cos⁡x>−1, since cos⁡x≥−1 for all x, we just exclude values where cos⁡x=−1:\text{For } \cos x > -1 \text{, since } \cos x \ge -1 \text{ for all } x \text{, we just exclude values where } \cos x = -1:
x≠−π and x≠πx \neq -\pi \text{ and } x \neq \pi
Taking the intersection of these conditions:\text{Taking the intersection of these conditions:}
−π<x<−π3 or π3<x<π-\pi < x < -\frac{\pi}{3} \text{ or } \frac{\pi}{3} < x < \pi

答案

−π<x<−π3 or π3<x<π-\pi < x < -\frac{\pi}{3} \text{ or } \frac{\pi}{3} < x < \pi

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