Система уравнений с параметром.

В одном из вариантов на досрочном этапе ЕГЭ по математике, который прошел в марте-апреле 2018 года, в задании 18 встречалась следующая формулировка задачи:

Условие получено от пользователей сайта alexlarin.net.

Задача хорошо решается графическим методом. Мне она показалась интересной тем, что, в отличие от обычной практики, в процессе размышлений здесь графики лучше размещать на отдельных рисунках. Привожу полное решение этой задачи в качестве очередного примера заданий ЕГЭ на параметр.

Подробное решение

Решение любой задачи, содержащей алгебраические выражения, должно начинаться с анализа области допустимых значений (ОДЗ) этих выражений. Особенно важно не забывать об этом при решении заданий второй части ЕГЭ профильного уровня.

Здесь одно из уравнений содержит натуральный логарифм, область определения которого ограничена. Следовательно \[9-x^2-y^2>0; \\ 9>x^2+y^2; \\ x^2+y^2< 3^2.\]

Таким образом, логарифм, а с ним и вся система уравнений, определены внутри круга радиуса 3 с центром в точке {0;0}, не включая ограничивающую окружность. Поэтому все дальнейшие поиски точек, координаты которых могут быть решениями заданной системы уравнений, должны проходить только в пределах этого круга.

Теперь приступаем непосредственно к решению.
Оба уравнения системы представляют собой произведение двух сомножителей раное нулю. Произведение равно нулю тогда и только тогда, когда хотя бы один из сомножителей равен нулю. Приравняем поочередно каждый сомножитель к нулю, преобразуем к виду, удобному для графического представления и проанализируем его вклад в решение отдельных уравнений и всей системы в целом.
Начнем с сомножителя, общего для обоих уравнений.

\[ (x+5)^2+y^2-a^2 = 0; \\ (x+5)^2+y^2=a^2 \]

Получили уравнение окружности на координатной плоскости. Радиус окружности равен абсолютному значению параметра а. В случае, когда а = 0, окружность вырождается в точку. (Не забываем, что r = |а| потому, что нужно рассмотреть все возможные значения параметра, в том числе и отрицательные, которые при возведении в квадрат удовлетворяют уравнению окружности.) Центр окружности расположен в точке с координатами {−5;0}. Изобразим несколько таких окружностей для различных значений параметра а.
Так как рассматриваемый сомножитель входит в оба уравнения системы, то все точки этих окружностей могут быть искомыми решениями системы. Но реально являются таковыми только те из них, которые входят в ОДЗ, т.е. те участки окружностей, которые пересекают упомянутый выше круг радиуса 3.

Анализируем рисунок:
- (красные) окружности, радиусы которых меньше 2 или больше 8 не имеют общих точек с (голубым) кругом, т.е. при \(|a| \in [0;2) \cup (8;+\infty)\) рассматриваемый сомножитель не дает вклада в решение системы,
- окружности c r = 2 и r = 8 касаются границы голубого круга, но она не входит в ОДЗ, поэтому при \(|a| = 2\) и \(|a| = 8\) рассматриваемый сомножитель также не даст вклада в решение системы,
- в случае, когда радиус окружности принадлежит промежутку (2;8), она пересекается с кругом ОДЗ в двух точках и решением системы являются все точки дуги (красной) окружности, лежащей внутри этого (голубого) круга. Таких точек, а следовательно и решений системы, бесконечное множество.

Выводы:
1) при \(a \in (-8; -2)\cup (2;8)\) система уравнений имеет бесконечное множество решений;
2) при \(a \in (-\infty; -8] \cup [-2;2] \cup[8;+\infty)\) сомножитель \(((x+5)^2+y^2-a^2)\) не дает вклада в решения системы, поэтому при некоторых значениях параметра а из этого диапазона система может иметь два различных решения, если таковые будут получены из анализа оставшихся двух сомножителей.

Итак, продолжаем искать решения заданной системы уравнений среди решений следующей системы, содержащей оставшиеся два сомножителя \[\left\{ \begin{array}{eee} \ln{(9-x^2-y^2)} = 0; \\ (x+y+5-a) = 0. \\ \end{array}\right. \] Последняя равносильна заданной при условии, что нас не интересует случай, когда \((x+5)^2+y^2-a^2 = 0\). В дальнейшем эту систему я буду называть сокращенной.

Преобразуем уравнения, чтобы построить графики \[ \ln{(9-x^2-y^2)} = 0; \\ 9-x^2-y^2 = 1; \\ 9-1 = x^2+y^2 ; \\ x^2+y^2 =8. \] Получили уравнение окружности на координатной плоскости. Радиус окружности равен \(\sqrt{8}\), центр находится в точке {0;0}. Вся эта окружность находится в области допустимых значений исходной (заданной в условии) системы уравнений. На рисунке она изображена сплошной синей линией. \[(x+y+5-a) = 0 \\ x+y+5=a ; \\ y = -x + (a-5) \] Получили уравнение прямой на координатной плоскости. Прямая проходит параллельно биссектрисе второго и четвертого координатных углов (тангенс угла наклона равен −1) и пересекает ось ординат в точке \(a-5\). Изобразим несколько таких прямых для различных значений параметра а.

Решением сокращенной системы уравнений будут точки пересечения окружности \(r = \sqrt{8}\) с этими прямыми. Прямые могут пересекать окружность в двух точках, касаться её в одной точке или вообще не иметь общих точек с окружностью. Нас интересуют те из них, которые имеют по два пересечения, что будет соответствовать двум различным решениям системы уравнений. Как видно по рисунку, такие прямые находятся между двумя касательными к окружности. Нужно уточнить их уравнения, чтобы найти соответствующие пределы изменения параметра a.

Если вы очень точно и крупно изобразили координатную плоскость на чертеже, то можно попытаться определить точки касания по рисунку. Например, на увеличенном рисунке с иконкой лупы видно, что касание происходит в точках с координатами {2;2} и {−2;−2}. Однако не забывайте, что экзамен не проверяет ваш глазомер, и истинное значение координаты может отличаться на десятые или сотые доли от видимого, тем более, что радиус окружности у нас имеет иррациональное значение \(\sqrt{8}\). Поэтому, как минимум, необходимы проверка предполагаемых значений координат подстановкой в уравнение окружности и геометрическое обоснование касания. Ещё лучше точно вычислить точки касания через производную и уравнения касательных.

Например, для точки {2;2} применим первый способ:
- пусть x = 2 и y = 2, тогда \(x^2+y^2 = 2^2+2^2 = 4+4=8\), значит точка лежит на окружности;
- радиус, проведенный в эту точку, совпадает с диагональю квадрата 2×2, которая проходит под углом 45° к положительному направлению оси Ох и поэтому перпендикулярна к рассматриваемым (зелёным) прямым. Таким образом, выполняется условие: радиус окружности перпендикулярен касательной.
(Примечания: I.Имелся в виду квадрат с вершинами в точках {0;0}, {0;2} {2;2} и {2;0}). II.Тангенс угла наклона наших прямых равен −1, следовательно они проходят под углом 135° к положительному направлению оси Ох.)

В качестве второго примера, левую точку касания полностью найдём через производную и уравнение касательной. Нижняя часть окружности соответствует графику функции \[ y = - \sqrt{8-x^2} \] Вычислим производную этой функции \[ y' = (- \sqrt{8-x^2})' = -\dfrac{1\cdot(8-x^2)'}{2\sqrt{8-x^2}} = -\dfrac{-2x}{2\sqrt{8-x^2}} = \dfrac{x}{\sqrt{8-x^2}} \] Приравняем производную к тангенсу угла наклона искомой касательной, т.е. в нашем случае к −1 и решим уравнение относительно x. \[\dfrac{x}{\sqrt{8-x^2}} = -1;\\ x = - \sqrt{8-x^2}; \; x^2 = 8-x^2; \\ 2x^2 = 8; \; x^2 = 4; \; x = \pm2.\] Нашли абсциссы точек касания. Подстановкой в уравнение окружности находим ординаты этих точек \[ y = - \sqrt{8-x^2}; \; y(-2) = - \sqrt{8-(-2)^2} = - \sqrt{8-4} = -2;\]

Итак, точки касания найдены и обоснованы. Определим соответствующие им значения параметра a.
\[ y = -x + (a-5) \\ при \; x=2, \; y = 2 \;имеем\\ 2 = -2 + (a-5) \\ a-5=4;\; a = 9 \\ при \; x=-2,\; y = -2 \; имеем \\ -2 = 2 + (a-5) \\ a-5=-4; \; a = 1 \] Следовательно, при \(a \in (1; 9) \) сокращённая система уравнений имеет ровно два различных решения.

Вернёмся к заданной системе уравнений. Чтобы она имела два различных решения, параметр a должен находиться в таком диапазоне, где первый из рассмотренных нами сомножителей не дает решений (иначе, как мы выяснили, их будет бесконечно много), а система из оставшихся двух сомножителей, сокращенная система, дает ровно два решения. Чтобы определить этот диапазон, найдем пересечение полученных ранее интервалов для параметра а с помощью числовой оси.

Как видно оба условия выполняюися для \(a \in (1; 2]\cup [8; 9)\)

Ответ: \(a \in (1; 2]\cup [8; 9)\)

Конечно, в итоговое решение, которое будет переписано на бланк, вы можете поместить один рисунок, который выглядит примерно так:

В качестве решения приведите все алгебраические выкладки с кратким обоснованием.

Задача для самостоятельного решения.

Перейдите по стрелке, чтобы найти ссылки на другие задачи ЕГЭ 2018.

 

Нашли опечатку или ошибку? Пожалуйста, сообщите о ней.
E-mail: mathematichka@yandex.ru
Внимание: Прямое копирование на других сайтах запрещено. Используйте гиперссылки.