SUBIECTUL I
Pentru progresia geometrică ( b n ) n ≥ 1 (b_n)_{n\ge 1} ( b n ) n ≥ 1 , notăm rația cu q q q . Deoarece
b 3 = 40 , b 4 = 80 , b_3=40,\qquad b_4=80, b 3 = 40 , b 4 = 80 ,
avem
q = b 4 b 3 = 80 40 = 2. q=\frac{b_4}{b_3}=\frac{80}{40}=2. q = b 3 b 4 = 40 80 = 2.
Cum
b 3 = b 1 q 2 , b_3=b_1q^2, b 3 = b 1 q 2 ,
rezultă
40 = b 1 ⋅ 2 2 = 4 b 1 . 40=b_1\cdot 2^2=4b_1. 40 = b 1 ⋅ 2 2 = 4 b 1 .
Deci
b 1 = 10 . \boxed{b_1=10}. b 1 = 10 .
Graficul funcției
f ( x ) = x 2 − 2 x + m f(x)=x^2-2x+m f ( x ) = x 2 − 2 x + m
intersectează axa O x Ox O x în două puncte distincte dacă ecuația
x 2 − 2 x + m = 0 x^2-2x+m=0 x 2 − 2 x + m = 0
are două rădăcini reale distincte.
Pentru aceasta trebuie ca discriminantul să fie strict pozitiv:
Δ = ( − 2 ) 2 − 4 ⋅ 1 ⋅ m = 4 − 4 m = 4 ( 1 − m ) . \Delta=(-2)^2-4\cdot 1\cdot m=4-4m=4(1-m). Δ = ( − 2 ) 2 − 4 ⋅ 1 ⋅ m = 4 − 4 m = 4 ( 1 − m ) .
Condiția este
4 ( 1 − m ) > 0 ⟺ 1 − m > 0 ⟺ m < 1. 4(1-m)>0
\Longleftrightarrow
1-m>0
\Longleftrightarrow
m<1. 4 ( 1 − m ) > 0 ⟺ 1 − m > 0 ⟺ m < 1.
Prin urmare,
m ∈ ( − ∞ , 1 ) . \boxed{m\in(-\infty,1)}. m ∈ ( − ∞ , 1 ) .
Ecuația este
3 x + 2 ⋅ 3 x + 1 = 63. 3^x+2\cdot 3^{x+1}=63. 3 x + 2 ⋅ 3 x + 1 = 63.
Folosim
3 x + 1 = 3 ⋅ 3 x . 3^{x+1}=3\cdot 3^x. 3 x + 1 = 3 ⋅ 3 x .
Atunci
3 x + 2 ⋅ 3 ⋅ 3 x = 63 , 3^x+2\cdot 3\cdot 3^x=63, 3 x + 2 ⋅ 3 ⋅ 3 x = 63 ,
deci
3 x + 6 ⋅ 3 x = 63 ⟺ 7 ⋅ 3 x = 63. 3^x+6\cdot 3^x=63
\Longleftrightarrow
7\cdot 3^x=63. 3 x + 6 ⋅ 3 x = 63 ⟺ 7 ⋅ 3 x = 63.
Rezultă
3 x = 9 = 3 2 . 3^x=9=3^2. 3 x = 9 = 3 2 .
Funcția exponențială de bază 3 3 3 este injectivă, deci
x = 2 . \boxed{x=2}. x = 2 .
Numerele naturale de două cifre sunt
10 , 11 , … , 99 , 10,11,\ldots,99, 10 , 11 , … , 99 ,
deci sunt
99 − 10 + 1 = 90 99-10+1=90 99 − 10 + 1 = 90
cazuri posibile.
Dorim ca n 2 n^2 n 2 să fie număr natural de trei cifre, adică
100 ≤ n 2 ≤ 999. 100\le n^2\le 999. 100 ≤ n 2 ≤ 999.
Pentru n n n număr natural de două cifre avem deja n ≥ 10 n\ge 10 n ≥ 10 , deci n 2 ≥ 100 n^2\ge 100 n 2 ≥ 100 . Rămâne condiția
n 2 ≤ 999. n^2\le 999. n 2 ≤ 999.
Cum
31 2 = 961 ≤ 999 , 32 2 = 1024 > 999 , 31^2=961\le 999,\qquad 32^2=1024>999, 3 1 2 = 961 ≤ 999 , 3 2 2 = 1024 > 999 ,
valorile favorabile sunt
n = 10 , 11 , … , 31. n=10,11,\ldots,31. n = 10 , 11 , … , 31.
Numărul lor este
31 − 10 + 1 = 22. 31-10+1=22. 31 − 10 + 1 = 22.
Probabilitatea cerută este
P = 22 90 = 11 45 . P=\frac{22}{90}=\frac{11}{45}. P = 90 22 = 45 11 .
Răspuns:
11 45 . \boxed{\frac{11}{45}}. 45 11 .
Avem
A ( 1 , 2 ) , B ( 7 , 4 ) . A(1,2),\qquad B(7,4). A ( 1 , 2 ) , B ( 7 , 4 ) .
Prin urmare,
A B → = ( 7 − 1 , 4 − 2 ) = ( 6 , 2 ) . \overrightarrow{AB}=(7-1,4-2)=(6,2). A B = ( 7 − 1 , 4 − 2 ) = ( 6 , 2 ) .
Din condiția
A B → = 2 A C → \overrightarrow{AB}=2\overrightarrow{AC} A B = 2 A C
rezultă
A C → = 1 2 A B → = ( 3 , 1 ) . \overrightarrow{AC}=\frac12\overrightarrow{AB}=(3,1). A C = 2 1 A B = ( 3 , 1 ) .
Deci
C = A + A C → = ( 1 , 2 ) + ( 3 , 1 ) = ( 4 , 3 ) . C=A+\overrightarrow{AC}=(1,2)+(3,1)=(4,3). C = A + A C = ( 1 , 2 ) + ( 3 , 1 ) = ( 4 , 3 ) .
Calculăm vectorul
C B → = B − C = ( 7 − 4 , 4 − 3 ) = ( 3 , 1 ) . \overrightarrow{CB}=B-C=(7-4,4-3)=(3,1). C B = B − C = ( 7 − 4 , 4 − 3 ) = ( 3 , 1 ) .
Condiția
O D → = C B → \overrightarrow{OD}=\overrightarrow{CB} O D = C B
arată că punctul D D D are coordonatele vectorului C B → \overrightarrow{CB} C B . Așadar
D ( 3 , 1 ) . \boxed{D(3,1)}. D ( 3 , 1 ) .
Fie D D D piciorul înălțimii din A A A pe dreapta B C BC B C . Triunghiul A B C ABC A B C este ascuțitunghic, deci D D D aparține segmentului B C BC B C .
În triunghiul dreptunghic A B D ABD A B D , avem
A B = 10 , A D = 8. AB=10,\qquad AD=8. A B = 10 , A D = 8.
Din teorema lui Pitagora:
B D 2 = A B 2 − A D 2 = 10 2 − 8 2 = 100 − 64 = 36. BD^2=AB^2-AD^2=10^2-8^2=100-64=36. B D 2 = A B 2 − A D 2 = 1 0 2 − 8 2 = 100 − 64 = 36.
Cum B D > 0 BD>0 B D > 0 , rezultă
B D = 6. BD=6. B D = 6.
Notăm
C D = t , t > 0. CD=t,\qquad t>0. C D = t , t > 0.
În triunghiul dreptunghic A C D ACD A C D , avem
A C = A D 2 + C D 2 = 64 + t 2 . AC=\sqrt{AD^2+CD^2}=\sqrt{64+t^2}. A C = A D 2 + C D 2 = 64 + t 2 .
Distanța de la D D D la dreapta A C AC A C este înălțimea dusă din unghiul drept pe ipotenuza triunghiului dreptunghic A C D ACD A C D . Aceasta este
A D ⋅ C D A C = 8 t 64 + t 2 . \frac{AD\cdot CD}{AC}=\frac{8t}{\sqrt{64+t^2}}. A C A D ⋅ C D = 64 + t 2 8 t .
Din enunț:
8 t 64 + t 2 = 4 2 . \frac{8t}{\sqrt{64+t^2}}=4\sqrt2. 64 + t 2 8 t = 4 2 .
Împărțim la 4 4 4 :
2 t 64 + t 2 = 2 . \frac{2t}{\sqrt{64+t^2}}=\sqrt2. 64 + t 2 2 t = 2 .
Ridicăm la pătrat, cu ambii membri pozitivi:
4 t 2 64 + t 2 = 2. \frac{4t^2}{64+t^2}=2. 64 + t 2 4 t 2 = 2.
Rezultă
4 t 2 = 128 + 2 t 2 ⟺ 2 t 2 = 128 ⟺ t 2 = 64. 4t^2=128+2t^2
\Longleftrightarrow
2t^2=128
\Longleftrightarrow
t^2=64. 4 t 2 = 128 + 2 t 2 ⟺ 2 t 2 = 128 ⟺ t 2 = 64.
Cum t > 0 t>0 t > 0 , avem
C D = 8. CD=8. C D = 8.
Atunci
B C = B D + C D = 6 + 8 = 14. BC=BD+CD=6+8=14. B C = B D + C D = 6 + 8 = 14.
Aria triunghiului este
A A B C = B C ⋅ A D 2 = 14 ⋅ 8 2 = 56. \mathcal A_{ABC}=\frac{BC\cdot AD}{2}
=\frac{14\cdot 8}{2}=56. A A B C = 2 B C ⋅ A D = 2 14 ⋅ 8 = 56.
Deci
A A B C = 56 . \boxed{\mathcal A_{ABC}=56}. A A B C = 56 .
SUBIECTUL al II-lea
1.
Se consideră
A ( a ) = ( a 1 − a 3 1 − 2 1 − 3 a ) A(a)=
\begin{pmatrix}
a&1&-a\\
3&1&-2\\
1&-3&a
\end{pmatrix} A ( a ) = a 3 1 1 1 − 3 − a − 2 a
și sistemul
{ a x + y − a z = 1 3 x + y − 2 z = 1 x − 3 y + a z = − 3 . \begin{cases}
ax+y-az=1\\
3x+y-2z=1\\
x-3y+az=-3
\end{cases}. ⎩ ⎨ ⎧ a x + y − a z = 1 3 x + y − 2 z = 1 x − 3 y + a z = − 3 .
A ( 0 ) = ( 0 1 0 3 1 − 2 1 − 3 0 ) . A(0)=
\begin{pmatrix}
0&1&0\\
3&1&-2\\
1&-3&0
\end{pmatrix}. A ( 0 ) = 0 3 1 1 1 − 3 0 − 2 0 .
Dezvoltăm determinantul după prima linie:
det A ( 0 ) = 1 ⋅ ( − 1 ) 1 + 2 ∣ 3 − 2 1 0 ∣ . \det A(0)
=1\cdot (-1)^{1+2}
\begin{vmatrix}
3&-2\\
1&0
\end{vmatrix}. det A ( 0 ) = 1 ⋅ ( − 1 ) 1 + 2 3 1 − 2 0 .
Calculăm determinantul de ordinul al doilea:
∣ 3 − 2 1 0 ∣ = 3 ⋅ 0 − ( − 2 ) ⋅ 1 = 2. \begin{vmatrix}
3&-2\\
1&0
\end{vmatrix}
=3\cdot 0-(-2)\cdot 1=2. 3 1 − 2 0 = 3 ⋅ 0 − ( − 2 ) ⋅ 1 = 2.
Prin urmare,
det A ( 0 ) = − 2. \det A(0)=-2. det A ( 0 ) = − 2.
Deci
det A ( 0 ) = − 2 . \boxed{\det A(0)=-2}. det A ( 0 ) = − 2 .
b) Sistemul are soluție unică dacă și numai dacă matricea coeficienților este inversabilă, adică
det A ( a ) ≠ 0. \det A(a)\ne 0. det A ( a ) = 0.
Calculăm determinantul:
det A ( a ) = ∣ a 1 − a 3 1 − 2 1 − 3 a ∣ . \det A(a)=
\begin{vmatrix}
a&1&-a\\
3&1&-2\\
1&-3&a
\end{vmatrix}. det A ( a ) = a 3 1 1 1 − 3 − a − 2 a .
Dezvoltând după prima linie:
det A ( a ) = a ∣ 1 − 2 − 3 a ∣ − 1 ∣ 3 − 2 1 a ∣ + ( − a ) ∣ 3 1 1 − 3 ∣ . \det A(a)
=a
\begin{vmatrix}
1&-2\\
-3&a
\end{vmatrix}
-1
\begin{vmatrix}
3&-2\\
1&a
\end{vmatrix}
{}+
(-a)
\begin{vmatrix}
3&1\\
1&-3
\end{vmatrix}. det A ( a ) = a 1 − 3 − 2 a − 1 3 1 − 2 a + ( − a ) 3 1 1 − 3 .
Calculăm:
∣ 1 − 2 − 3 a ∣ = a − 6 , \begin{vmatrix}
1&-2\\
-3&a
\end{vmatrix}
=a-6, 1 − 3 − 2 a = a − 6 ,
∣ 3 − 2 1 a ∣ = 3 a + 2 , \begin{vmatrix}
3&-2\\
1&a
\end{vmatrix}
=3a+2, 3 1 − 2 a = 3 a + 2 ,
și
∣ 3 1 1 − 3 ∣ = − 9 − 1 = − 10. \begin{vmatrix}
3&1\\
1&-3
\end{vmatrix}
=-9-1=-10. 3 1 1 − 3 = − 9 − 1 = − 10.
Astfel,
det A ( a ) = a ( a − 6 ) − ( 3 a + 2 ) + ( − a ) ( − 10 ) . \det A(a)=a(a-6)-(3a+2)+(-a)(-10). det A ( a ) = a ( a − 6 ) − ( 3 a + 2 ) + ( − a ) ( − 10 ) .
Rezultă
det A ( a ) = a 2 − 6 a − 3 a − 2 + 10 a = a 2 + a − 2. \det A(a)=a^2-6a-3a-2+10a=a^2+a-2. det A ( a ) = a 2 − 6 a − 3 a − 2 + 10 a = a 2 + a − 2.
Factorizăm:
a 2 + a − 2 = ( a − 1 ) ( a + 2 ) . a^2+a-2=(a-1)(a+2). a 2 + a − 2 = ( a − 1 ) ( a + 2 ) .
Deci sistemul are soluție unică pentru
( a − 1 ) ( a + 2 ) ≠ 0 , (a-1)(a+2)\ne 0, ( a − 1 ) ( a + 2 ) = 0 ,
adică
a ∈ R ∖ { − 2 , 1 } . \boxed{a\in\mathbb R\setminus\{-2,1\}}. a ∈ R ∖ { − 2 , 1 } .
c) Pentru a = 1 a=1 a = 1 , sistemul devine
{ x + y − z = 1 3 x + y − 2 z = 1 x − 3 y + z = − 3 . \begin{cases}
x+y-z=1\\
3x+y-2z=1\\
x-3y+z=-3
\end{cases}. ⎩ ⎨ ⎧ x + y − z = 1 3 x + y − 2 z = 1 x − 3 y + z = − 3 .
Scădem prima ecuație din a doua:
( 3 x + y − 2 z ) − ( x + y − z ) = 1 − 1 , (3x+y-2z)-(x+y-z)=1-1, ( 3 x + y − 2 z ) − ( x + y − z ) = 1 − 1 ,
deci
2 x − z = 0 ⟺ z = 2 x . 2x-z=0
\Longleftrightarrow
z=2x. 2 x − z = 0 ⟺ z = 2 x .
Din prima ecuație:
x + y − 2 x = 1 ⟺ y − x = 1 ⟺ y = x + 1. x+y-2x=1
\Longleftrightarrow
y-x=1
\Longleftrightarrow
y=x+1. x + y − 2 x = 1 ⟺ y − x = 1 ⟺ y = x + 1.
A treia ecuație este verificată automat:
x − 3 ( x + 1 ) + 2 x = x − 3 x − 3 + 2 x = − 3. x-3(x+1)+2x=x-3x-3+2x=-3. x − 3 ( x + 1 ) + 2 x = x − 3 x − 3 + 2 x = − 3.
Prin urmare, soluțiile sistemului pentru a = 1 a=1 a = 1 sunt
( x , y , z ) = ( t , t + 1 , 2 t ) , t ∈ R . (x,y,z)=(t,t+1,2t),\qquad t\in\mathbb R. ( x , y , z ) = ( t , t + 1 , 2 t ) , t ∈ R .
Fie
( x 1 , y 1 , z 1 ) = ( t , t + 1 , 2 t ) (x_1,y_1,z_1)=(t,t+1,2t) ( x 1 , y 1 , z 1 ) = ( t , t + 1 , 2 t )
și
( x 2 , y 2 , z 2 ) = ( s , s + 1 , 2 s ) . (x_2,y_2,z_2)=(s,s+1,2s). ( x 2 , y 2 , z 2 ) = ( s , s + 1 , 2 s ) .
Condițiile din enunț sunt
y 1 = x 2 , z 1 = y 2 . y_1=x_2,\qquad z_1=y_2. y 1 = x 2 , z 1 = y 2 .
Acestea devin
t + 1 = s , 2 t = s + 1. t+1=s,\qquad 2t=s+1. t + 1 = s , 2 t = s + 1.
Din s = t + 1 s=t+1 s = t + 1 , a doua ecuație dă
2 t = t + 1 + 1 = t + 2 , 2t=t+1+1=t+2, 2 t = t + 1 + 1 = t + 2 ,
deci
t = 2. t=2. t = 2.
Atunci
s = t + 1 = 3. s=t+1=3. s = t + 1 = 3.
Rezultă
( x 1 , y 1 , z 1 ) = ( 2 , 3 , 4 ) , (x_1,y_1,z_1)=(2,3,4), ( x 1 , y 1 , z 1 ) = ( 2 , 3 , 4 ) ,
și
( x 2 , y 2 , z 2 ) = ( 3 , 4 , 6 ) . (x_2,y_2,z_2)=(3,4,6). ( x 2 , y 2 , z 2 ) = ( 3 , 4 , 6 ) .
Răspuns:
( x 1 , y 1 , z 1 ) = ( 2 , 3 , 4 ) , ( x 2 , y 2 , z 2 ) = ( 3 , 4 , 6 ) . \boxed{(x_1,y_1,z_1)=(2,3,4),\qquad (x_2,y_2,z_2)=(3,4,6)}. ( x 1 , y 1 , z 1 ) = ( 2 , 3 , 4 ) , ( x 2 , y 2 , z 2 ) = ( 3 , 4 , 6 ) .
2.
Pe mulțimea M = ( 0 , + ∞ ) M=(0,+\infty) M = ( 0 , + ∞ ) se definește legea
x ∘ y = x y + 1 x y + x + y 2 − 2. x\circ y=\sqrt{xy}+\frac{1}{\sqrt{xy}}+\frac{x+y}{2}-2. x ∘ y = x y + x y 1 + 2 x + y − 2.
1 ∘ 4 = 1 ⋅ 4 + 1 1 ⋅ 4 + 1 + 4 2 − 2. 1\circ 4=\sqrt{1\cdot 4}+\frac{1}{\sqrt{1\cdot 4}}+\frac{1+4}{2}-2. 1 ∘ 4 = 1 ⋅ 4 + 1 ⋅ 4 1 + 2 1 + 4 − 2.
Cum
4 = 2 , \sqrt{4}=2, 4 = 2 ,
obținem
1 ∘ 4 = 2 + 1 2 + 5 2 − 2. 1\circ 4=2+\frac12+\frac52-2. 1 ∘ 4 = 2 + 2 1 + 2 5 − 2.
Calculăm:
2 − 2 + 1 2 + 5 2 = 3. 2-2+\frac12+\frac52=3. 2 − 2 + 2 1 + 2 5 = 3.
Deci
1 ∘ 4 = 3 . \boxed{1\circ 4=3}. 1 ∘ 4 = 3 .
b) Căutăm x ∈ M x\in M x ∈ M , deci x > 0 x>0 x > 0 , pentru care
x ∘ x = 1. x\circ x=1. x ∘ x = 1.
Avem
x ∘ x = x 2 + 1 x 2 + x + x 2 − 2. x\circ x=\sqrt{x^2}+\frac{1}{\sqrt{x^2}}+\frac{x+x}{2}-2. x ∘ x = x 2 + x 2 1 + 2 x + x − 2.
Deoarece x > 0 x>0 x > 0 ,
x 2 = x . \sqrt{x^2}=x. x 2 = x .
Prin urmare,
x ∘ x = x + 1 x + x − 2 = 2 x + 1 x − 2. x\circ x=x+\frac1x+x-2=2x+\frac1x-2. x ∘ x = x + x 1 + x − 2 = 2 x + x 1 − 2.
Ecuația devine
2 x + 1 x − 2 = 1. 2x+\frac1x-2=1. 2 x + x 1 − 2 = 1.
Echivalent,
2 x + 1 x = 3. 2x+\frac1x=3. 2 x + x 1 = 3.
Înmulțim cu x > 0 x>0 x > 0 :
2 x 2 + 1 = 3 x . 2x^2+1=3x. 2 x 2 + 1 = 3 x .
Rezultă
2 x 2 − 3 x + 1 = 0. 2x^2-3x+1=0. 2 x 2 − 3 x + 1 = 0.
Factorizăm:
2 x 2 − 3 x + 1 = ( 2 x − 1 ) ( x − 1 ) . 2x^2-3x+1=(2x-1)(x-1). 2 x 2 − 3 x + 1 = ( 2 x − 1 ) ( x − 1 ) .
Deci
( 2 x − 1 ) ( x − 1 ) = 0. (2x-1)(x-1)=0. ( 2 x − 1 ) ( x − 1 ) = 0.
Obținem
x = 1 2 sau x = 1. x=\frac12
\quad \text{sau}\quad
x=1. x = 2 1 sau x = 1.
Ambele valori aparțin lui M = ( 0 , + ∞ ) M=(0,+\infty) M = ( 0 , + ∞ ) . Așadar
x ∈ { 1 2 , 1 } . \boxed{x\in\left\{\frac12,1\right\}}. x ∈ { 2 1 , 1 } .
c) Trebuie să arătăm că, pentru orice x , y ∈ [ 1 , + ∞ ) x,y\in[1,+\infty) x , y ∈ [ 1 , + ∞ ) , avem
x ∘ y ∈ [ 1 , + ∞ ) . x\circ y\in[1,+\infty). x ∘ y ∈ [ 1 , + ∞ ) .
Fie x , y ≥ 1 x,y\ge 1 x , y ≥ 1 . Atunci
t = x y ≥ 1. t=\sqrt{xy}\ge 1. t = x y ≥ 1.
Prin inegalitatea mediilor,
x + y 2 ≥ x y = t . \frac{x+y}{2}\ge \sqrt{xy}=t. 2 x + y ≥ x y = t .
Din definiția legii,
x ∘ y = x y + 1 x y + x + y 2 − 2. x\circ y=\sqrt{xy}+\frac{1}{\sqrt{xy}}+\frac{x+y}{2}-2. x ∘ y = x y + x y 1 + 2 x + y − 2.
Folosind inegalitatea de mai sus:
x ∘ y ≥ t + 1 t + t − 2 = 2 t + 1 t − 2. x\circ y\ge t+\frac1t+t-2=2t+\frac1t-2. x ∘ y ≥ t + t 1 + t − 2 = 2 t + t 1 − 2.
Arătăm că membrul din dreapta este cel puțin 1 1 1 . Pentru t ≥ 1 t\ge 1 t ≥ 1 ,
2 t + 1 t − 2 ≥ 1 ⟺ 2 t + 1 t − 3 ≥ 0. 2t+\frac1t-2\ge 1
\Longleftrightarrow
2t+\frac1t-3\ge 0. 2 t + t 1 − 2 ≥ 1 ⟺ 2 t + t 1 − 3 ≥ 0.
Cum t > 0 t>0 t > 0 ,
2 t + 1 t − 3 = 2 t 2 − 3 t + 1 t = ( 2 t − 1 ) ( t − 1 ) t . 2t+\frac1t-3
=\frac{2t^2-3t+1}{t}
=\frac{(2t-1)(t-1)}{t}. 2 t + t 1 − 3 = t 2 t 2 − 3 t + 1 = t ( 2 t − 1 ) ( t − 1 ) .
Pentru t ≥ 1 t\ge 1 t ≥ 1 , avem
2 t − 1 > 0 , t − 1 ≥ 0 , t > 0. 2t-1>0,\qquad t-1\ge 0,\qquad t>0. 2 t − 1 > 0 , t − 1 ≥ 0 , t > 0.
Deci
( 2 t − 1 ) ( t − 1 ) t ≥ 0. \frac{(2t-1)(t-1)}{t}\ge 0. t ( 2 t − 1 ) ( t − 1 ) ≥ 0.
Prin urmare,
x ∘ y ≥ 1. x\circ y\ge 1. x ∘ y ≥ 1.
În plus, x ∘ y x\circ y x ∘ y este definit și pozitiv, deci aparține lui M M M . Rezultă
x ∘ y ∈ [ 1 , + ∞ ) , ∀ x , y ∈ [ 1 , + ∞ ) . \boxed{x\circ y\in[1,+\infty),\quad \forall x,y\in[1,+\infty)}. x ∘ y ∈ [ 1 , + ∞ ) , ∀ x , y ∈ [ 1 , + ∞ ) .
Astfel, [ 1 , + ∞ ) [1,+\infty) [ 1 , + ∞ ) este parte stabilă a lui M M M în raport cu legea ∘ \circ ∘ .
SUBIECTUL al III-lea
1.
Se consideră funcția
f : ( 0 , + ∞ ) → R , f ( x ) = 2 x − 2 x + 2 + ln x + 2 x . f:(0,+\infty)\to\mathbb R,\qquad
f(x)=\frac{2x-2}{x+2}+\ln\frac{x+2}{x}. f : ( 0 , + ∞ ) → R , f ( x ) = x + 2 2 x − 2 + ln x x + 2 .
a) Pentru x > 0 x>0 x > 0 , avem
ln x + 2 x = ln ( x + 2 ) − ln x . \ln\frac{x+2}{x}=\ln(x+2)-\ln x. ln x x + 2 = ln ( x + 2 ) − ln x .
Derivăm primul termen:
( 2 x − 2 x + 2 ) ′ = 2 ( x + 2 ) − ( 2 x − 2 ) ⋅ 1 ( x + 2 ) 2 = 2 x + 4 − 2 x + 2 ( x + 2 ) 2 = 6 ( x + 2 ) 2 . \left(\frac{2x-2}{x+2}\right)'
=\frac{2(x+2)-(2x-2)\cdot 1}{(x+2)^2}
=\frac{2x+4-2x+2}{(x+2)^2}
=\frac6{(x+2)^2}. ( x + 2 2 x − 2 ) ′ = ( x + 2 ) 2 2 ( x + 2 ) − ( 2 x − 2 ) ⋅ 1 = ( x + 2 ) 2 2 x + 4 − 2 x + 2 = ( x + 2 ) 2 6 .
Derivăm termenul logaritmic:
( ln ( x + 2 ) − ln x ) ′ = 1 x + 2 − 1 x = x − ( x + 2 ) x ( x + 2 ) = − 2 x ( x + 2 ) . \left(\ln(x+2)-\ln x\right)'
=\frac1{x+2}-\frac1x
=\frac{x-(x+2)}{x(x+2)}
=-\frac2{x(x+2)}. ( ln ( x + 2 ) − ln x ) ′ = x + 2 1 − x 1 = x ( x + 2 ) x − ( x + 2 ) = − x ( x + 2 ) 2 .
Astfel,
f ′ ( x ) = 6 ( x + 2 ) 2 − 2 x ( x + 2 ) . f'(x)=\frac6{(x+2)^2}-\frac2{x(x+2)}. f ′ ( x ) = ( x + 2 ) 2 6 − x ( x + 2 ) 2 .
Aducem la același numitor:
f ′ ( x ) = 6 x − 2 ( x + 2 ) x ( x + 2 ) 2 . f'(x)=\frac{6x-2(x+2)}{x(x+2)^2}. f ′ ( x ) = x ( x + 2 ) 2 6 x − 2 ( x + 2 ) .
Calculăm numărătorul:
6 x − 2 ( x + 2 ) = 6 x − 2 x − 4 = 4 x − 4 = 4 ( x − 1 ) . 6x-2(x+2)=6x-2x-4=4x-4=4(x-1). 6 x − 2 ( x + 2 ) = 6 x − 2 x − 4 = 4 x − 4 = 4 ( x − 1 ) .
Deci
f ′ ( x ) = 4 ( x − 1 ) x ( x + 2 ) 2 , x ∈ ( 0 , + ∞ ) . \boxed{f'(x)=\frac{4(x-1)}{x(x+2)^2}},\qquad x\in(0,+\infty). f ′ ( x ) = x ( x + 2 ) 2 4 ( x − 1 ) , x ∈ ( 0 , + ∞ ) .
b) Asimptota orizontală spre + ∞ +\infty + ∞ este dată de limita funcției la + ∞ +\infty + ∞ , dacă aceasta există și este finită.
Calculăm:
lim x → + ∞ 2 x − 2 x + 2 = 2 , \lim_{x\to+\infty}\frac{2x-2}{x+2}=2, x → + ∞ lim x + 2 2 x − 2 = 2 ,
iar
lim x → + ∞ ln x + 2 x = lim x → + ∞ ln ( 1 + 2 x ) = ln 1 = 0. \lim_{x\to+\infty}\ln\frac{x+2}{x}
=\lim_{x\to+\infty}\ln\left(1+\frac2x\right)=\ln 1=0. x → + ∞ lim ln x x + 2 = x → + ∞ lim ln ( 1 + x 2 ) = ln 1 = 0.
Prin urmare,
lim x → + ∞ f ( x ) = 2 + 0 = 2. \lim_{x\to+\infty} f(x)=2+0=2. x → + ∞ lim f ( x ) = 2 + 0 = 2.
Ecuația asimptotei orizontale spre + ∞ +\infty + ∞ este
y = 2 . \boxed{y=2}. y = 2 .
c) Funcția f f f este continuă pe ( 0 , + ∞ ) (0,+\infty) ( 0 , + ∞ ) , deoarece este sumă de funcții continue pe acest interval.
Din punctul a),
f ′ ( x ) = 4 ( x − 1 ) x ( x + 2 ) 2 . f'(x)=\frac{4(x-1)}{x(x+2)^2}. f ′ ( x ) = x ( x + 2 ) 2 4 ( x − 1 ) .
Pentru x > 0 x>0 x > 0 , numitorul x ( x + 2 ) 2 x(x+2)^2 x ( x + 2 ) 2 este pozitiv, deci semnul lui f ′ ( x ) f'(x) f ′ ( x ) este semnul lui x − 1 x-1 x − 1 . Astfel,
f ′ ( x ) < 0 pe ( 0 , 1 ) , f'(x)<0 \text{ pe } (0,1), f ′ ( x ) < 0 pe ( 0 , 1 ) ,
și
f ′ ( x ) > 0 pe ( 1 , + ∞ ) . f'(x)>0 \text{ pe } (1,+\infty). f ′ ( x ) > 0 pe ( 1 , + ∞ ) .
Rezultă că f f f este strict descrescătoare pe ( 0 , 1 ) (0,1) ( 0 , 1 ) și strict crescătoare pe ( 1 , + ∞ ) (1,+\infty) ( 1 , + ∞ ) . Valoarea minimă se obține la x = 1 x=1 x = 1 :
f ( 1 ) = 2 ⋅ 1 − 2 1 + 2 + ln 1 + 2 1 = 0 + ln 3 = ln 3. f(1)=\frac{2\cdot 1-2}{1+2}+\ln\frac{1+2}{1}
=0+\ln 3=\ln 3. f ( 1 ) = 1 + 2 2 ⋅ 1 − 2 + ln 1 1 + 2 = 0 + ln 3 = ln 3.
Mai avem
lim x → 0 + f ( x ) = lim x → 0 + ( 2 x − 2 x + 2 + ln x + 2 x ) = + ∞ , \lim_{x\to 0^+} f(x)
=\lim_{x\to 0^+}\left(\frac{2x-2}{x+2}+\ln\frac{x+2}{x}\right)=+\infty, x → 0 + lim f ( x ) = x → 0 + lim ( x + 2 2 x − 2 + ln x x + 2 ) = + ∞ ,
deoarece
2 x − 2 x + 2 → − 1 , ln x + 2 x = ln ( 1 + 2 x ) → + ∞ . \frac{2x-2}{x+2}\to -1,\qquad
\ln\frac{x+2}{x}=\ln\left(1+\frac2x\right)\to+\infty. x + 2 2 x − 2 → − 1 , ln x x + 2 = ln ( 1 + x 2 ) → + ∞.
De asemenea,
lim x → + ∞ f ( x ) = 2. \lim_{x\to+\infty} f(x)=2. x → + ∞ lim f ( x ) = 2.
Pe intervalul ( 0 , 1 ] (0,1] ( 0 , 1 ] , funcția ia toate valorile din
[ ln 3 , + ∞ ) . [\ln 3,+\infty). [ ln 3 , + ∞ ) .
Pe intervalul [ 1 , + ∞ ) [1,+\infty) [ 1 , + ∞ ) , funcția ia valori în
[ ln 3 , 2 ) . [\ln 3,2). [ ln 3 , 2 ) .
Prin urmare, imaginea funcției este
f ( ( 0 , + ∞ ) ) = [ ln 3 , + ∞ ) . f((0,+\infty))=[\ln 3,+\infty). f (( 0 , + ∞ )) = [ ln 3 , + ∞ ) .
Ecuația
f ( x ) = n f(x)=n f ( x ) = n
are soluții dacă și numai dacă
n ∈ [ ln 3 , + ∞ ) . n\in[\ln 3,+\infty). n ∈ [ ln 3 , + ∞ ) .
Deci nu are soluții pentru
n < ln 3. n<\ln 3. n < ln 3.
Cum, în convenția școlară uzuală,
N = { 0 , 1 , 2 , … } , \mathbb N=\{0,1,2,\ldots\}, N = { 0 , 1 , 2 , … } ,
și
1 < ln 3 < 2 , 1<\ln 3<2, 1 < ln 3 < 2 ,
numerele naturale mai mici decât ln 3 \ln 3 ln 3 sunt 0 0 0 și 1 1 1 . Așadar
n ∈ { 0 , 1 } . \boxed{n\in\{0,1\}}. n ∈ { 0 , 1 } .
2.
Se consideră funcția
f : R → R , f ( x ) = x 2 2 x 2 + 1 . f:\mathbb R\to\mathbb R,\qquad
f(x)=\frac{x^2}{2x^2+1}. f : R → R , f ( x ) = 2 x 2 + 1 x 2 .
a) Pentru orice x ∈ R x\in\mathbb R x ∈ R ,
( 2 x 2 + 1 ) f ( x ) = ( 2 x 2 + 1 ) ⋅ x 2 2 x 2 + 1 = x 2 . (2x^2+1)f(x)
=(2x^2+1)\cdot \frac{x^2}{2x^2+1}=x^2. ( 2 x 2 + 1 ) f ( x ) = ( 2 x 2 + 1 ) ⋅ 2 x 2 + 1 x 2 = x 2 .
Numitorul 2 x 2 + 1 2x^2+1 2 x 2 + 1 este strict pozitiv, deci simplificarea este validă.
Atunci
∫ − 1 2 ( 2 x 2 + 1 ) f ( x ) d x = ∫ − 1 2 x 2 d x . \int_{-1}^{2}(2x^2+1)f(x)\,dx
=\int_{-1}^{2}x^2\,dx. ∫ − 1 2 ( 2 x 2 + 1 ) f ( x ) d x = ∫ − 1 2 x 2 d x .
Calculăm:
∫ − 1 2 x 2 d x = x 3 3 ∣ − 1 2 = 2 3 3 − ( − 1 ) 3 3 . \int_{-1}^{2}x^2\,dx
=\left.\frac{x^3}{3}\right|_{-1}^{2}
=\frac{2^3}{3}-\frac{(-1)^3}{3}. ∫ − 1 2 x 2 d x = 3 x 3 − 1 2 = 3 2 3 − 3 ( − 1 ) 3 .
Rezultă
8 3 − ( − 1 3 ) = 9 3 = 3. \frac83-\left(-\frac13\right)=\frac93=3. 3 8 − ( − 3 1 ) = 3 9 = 3.
Prin urmare,
∫ − 1 2 ( 2 x 2 + 1 ) f ( x ) d x = 3 . \boxed{\int_{-1}^{2}(2x^2+1)f(x)\,dx=3}. ∫ − 1 2 ( 2 x 2 + 1 ) f ( x ) d x = 3 .
b) Pentru x ∈ [ 0 , 2 ] x\in[0,2] x ∈ [ 0 , 2 ] , avem x ≥ 0 x\ge 0 x ≥ 0 , iar
2 x 2 + 1 > 0. 2x^2+1>0. 2 x 2 + 1 > 0.
De aceea
f ( x ) = x 2 2 x 2 + 1 = x 2 2 x 2 + 1 = ∣ x ∣ 2 x 2 + 1 = x 2 x 2 + 1 . \sqrt{f(x)}
=\sqrt{\frac{x^2}{2x^2+1}}
=\frac{\sqrt{x^2}}{\sqrt{2x^2+1}}
=\frac{|x|}{\sqrt{2x^2+1}}
=\frac{x}{\sqrt{2x^2+1}}. f ( x ) = 2 x 2 + 1 x 2 = 2 x 2 + 1 x 2 = 2 x 2 + 1 ∣ x ∣ = 2 x 2 + 1 x .
Prin urmare,
∫ 0 2 f ( x ) d x = ∫ 0 2 x 2 x 2 + 1 d x . \int_0^2 \sqrt{f(x)}\,dx
=\int_0^2 \frac{x}{\sqrt{2x^2+1}}\,dx. ∫ 0 2 f ( x ) d x = ∫ 0 2 2 x 2 + 1 x d x .
Facem substituția
u = 2 x 2 + 1 , d u = 4 x d x . u=2x^2+1,\qquad du=4x\,dx. u = 2 x 2 + 1 , d u = 4 x d x .
Pentru x = 0 x=0 x = 0 , avem u = 1 u=1 u = 1 , iar pentru x = 2 x=2 x = 2 , avem u = 9 u=9 u = 9 . Astfel,
∫ 0 2 x 2 x 2 + 1 d x = 1 4 ∫ 1 9 u − 1 / 2 d u . \int_0^2 \frac{x}{\sqrt{2x^2+1}}\,dx
=\frac14\int_1^9 u^{-1/2}\,du. ∫ 0 2 2 x 2 + 1 x d x = 4 1 ∫ 1 9 u − 1/2 d u .
Calculăm:
1 4 ∫ 1 9 u − 1 / 2 d u = 1 4 [ 2 u 1 / 2 ] 1 9 = 1 2 ( 9 − 1 ) . \frac14\int_1^9 u^{-1/2}\,du
=\frac14\left[2u^{1/2}\right]_1^9
=\frac12\left(\sqrt9-\sqrt1\right). 4 1 ∫ 1 9 u − 1/2 d u = 4 1 [ 2 u 1/2 ] 1 9 = 2 1 ( 9 − 1 ) .
Deci
1 2 ( 3 − 1 ) = 1. \frac12(3-1)=1. 2 1 ( 3 − 1 ) = 1.
Prin urmare,
∫ 0 2 f ( x ) d x = 1 . \boxed{\int_0^2 \sqrt{f(x)}\,dx=1}. ∫ 0 2 f ( x ) d x = 1 .
c) Pentru n ∈ N ∗ n\in\mathbb N^* n ∈ N ∗ , se definește
I n = ∫ 0 1 x n f ( e x ) d x . I_n=\int_0^1 \frac{x^n}{f\left(\sqrt{e^x}\right)}\,dx. I n = ∫ 0 1 f ( e x ) x n d x .
Calculăm mai întâi
f ( e x ) = ( e x ) 2 2 ( e x ) 2 + 1 = e x 2 e x + 1 . f\left(\sqrt{e^x}\right)
=\frac{\left(\sqrt{e^x}\right)^2}{2\left(\sqrt{e^x}\right)^2+1}
=\frac{e^x}{2e^x+1}. f ( e x ) = 2 ( e x ) 2 + 1 ( e x ) 2 = 2 e x + 1 e x .
Deoarece e x > 0 e^x>0 e x > 0 , avem
f ( e x ) > 0 , f\left(\sqrt{e^x}\right)>0, f ( e x ) > 0 ,
deci integrala este bine definită. Astfel,
1 f ( e x ) = 2 e x + 1 e x = 2 + e − x . \frac{1}{f\left(\sqrt{e^x}\right)}
=\frac{2e^x+1}{e^x}
=2+e^{-x}. f ( e x ) 1 = e x 2 e x + 1 = 2 + e − x .
Prin urmare,
I n = ∫ 0 1 x n ( 2 + e − x ) d x . I_n=\int_0^1 x^n(2+e^{-x})\,dx. I n = ∫ 0 1 x n ( 2 + e − x ) d x .
Atunci
( n + 1 ) I n − I n + 1 = ∫ 0 1 ( ( n + 1 ) x n − x n + 1 ) ( 2 + e − x ) d x . (n+1)I_n-I_{n+1}
=\int_0^1\left((n+1)x^n-x^{n+1}\right)(2+e^{-x})\,dx. ( n + 1 ) I n − I n + 1 = ∫ 0 1 ( ( n + 1 ) x n − x n + 1 ) ( 2 + e − x ) d x .
Separăm integrala:
( n + 1 ) I n − I n + 1 = 2 ∫ 0 1 ( ( n + 1 ) x n − x n + 1 ) d x + ∫ 0 1 ( ( n + 1 ) x n − x n + 1 ) e − x d x . (n+1)I_n-I_{n+1}
=2\int_0^1\left((n+1)x^n-x^{n+1}\right)\,dx
+\int_0^1\left((n+1)x^n-x^{n+1}\right)e^{-x}\,dx. ( n + 1 ) I n − I n + 1 = 2 ∫ 0 1 ( ( n + 1 ) x n − x n + 1 ) d x + ∫ 0 1 ( ( n + 1 ) x n − x n + 1 ) e − x d x .
Pentru primul termen:
2 ∫ 0 1 ( ( n + 1 ) x n − x n + 1 ) d x = 2 ( ( n + 1 ) ∫ 0 1 x n d x − ∫ 0 1 x n + 1 d x ) . 2\int_0^1\left((n+1)x^n-x^{n+1}\right)\,dx
=2\left((n+1)\int_0^1x^n\,dx-\int_0^1x^{n+1}\,dx\right). 2 ∫ 0 1 ( ( n + 1 ) x n − x n + 1 ) d x = 2 ( ( n + 1 ) ∫ 0 1 x n d x − ∫ 0 1 x n + 1 d x ) .
Cum
∫ 0 1 x n d x = 1 n + 1 , ∫ 0 1 x n + 1 d x = 1 n + 2 , \int_0^1x^n\,dx=\frac1{n+1},\qquad
\int_0^1x^{n+1}\,dx=\frac1{n+2}, ∫ 0 1 x n d x = n + 1 1 , ∫ 0 1 x n + 1 d x = n + 2 1 ,
obținem
2 ( ( n + 1 ) ⋅ 1 n + 1 − 1 n + 2 ) = 2 ( 1 − 1 n + 2 ) = 2 ( n + 1 ) n + 2 . 2\left((n+1)\cdot\frac1{n+1}-\frac1{n+2}\right)
=2\left(1-\frac1{n+2}\right)
=\frac{2(n+1)}{n+2}. 2 ( ( n + 1 ) ⋅ n + 1 1 − n + 2 1 ) = 2 ( 1 − n + 2 1 ) = n + 2 2 ( n + 1 ) .
Pentru al doilea termen, observăm că
( x n + 1 e − x ) ′ = ( n + 1 ) x n e − x − x n + 1 e − x . \left(x^{n+1}e^{-x}\right)'
=(n+1)x^ne^{-x}-x^{n+1}e^{-x}. ( x n + 1 e − x ) ′ = ( n + 1 ) x n e − x − x n + 1 e − x .
Prin urmare,
∫ 0 1 ( ( n + 1 ) x n − x n + 1 ) e − x d x = [ x n + 1 e − x ] 0 1 . \int_0^1\left((n+1)x^n-x^{n+1}\right)e^{-x}\,dx
=\left[x^{n+1}e^{-x}\right]_0^1. ∫ 0 1 ( ( n + 1 ) x n − x n + 1 ) e − x d x = [ x n + 1 e − x ] 0 1 .
Deoarece n ∈ N ∗ n\in\mathbb N^* n ∈ N ∗ , avem n + 1 ≥ 2 n+1\ge 2 n + 1 ≥ 2 , deci
0 n + 1 = 0. 0^{n+1}=0. 0 n + 1 = 0.
Astfel,
[ x n + 1 e − x ] 0 1 = 1 n + 1 e − 1 − 0 = 1 e . \left[x^{n+1}e^{-x}\right]_0^1
=1^{n+1}e^{-1}-0
=\frac1e. [ x n + 1 e − x ] 0 1 = 1 n + 1 e − 1 − 0 = e 1 .
Rezultă
( n + 1 ) I n − I n + 1 = 2 ( n + 1 ) n + 2 + 1 e . (n+1)I_n-I_{n+1}
=\frac{2(n+1)}{n+2}+\frac1e. ( n + 1 ) I n − I n + 1 = n + 2 2 ( n + 1 ) + e 1 .
Deci
( n + 1 ) I n − I n + 1 = 2 ( n + 1 ) n + 2 + 1 e , ∀ n ∈ N ∗ . \boxed{(n+1)I_n-I_{n+1}=\frac{2(n+1)}{n+2}+\frac1e,\quad \forall n\in\mathbb N^*}. ( n + 1 ) I n − I n + 1 = n + 2 2 ( n + 1 ) + e 1 , ∀ n ∈ N ∗ .
Autoevaluare pentru punctaj maxim
Toate cele 18 subpuncte au fost rezolvate în ordinea din subiect, cu rezultate finale marcate clar.
Am verificat formulele-cheie în raport cu enunțul: ecuația 3 x + 2 ⋅ 3 x + 1 = 63 3^x+2\cdot 3^{x+1}=63 3 x + 2 ⋅ 3 x + 1 = 63 , semnele din matricea A ( a ) A(a) A ( a ) , legea x ∘ y = x y + 1 x y + x + y 2 − 2 x\circ y=\sqrt{xy}+\frac1{\sqrt{xy}}+\frac{x+y}{2}-2 x ∘ y = x y + x y 1 + 2 x + y − 2 , funcția 2 x − 2 x + 2 + ln x + 2 x \frac{2x-2}{x+2}+\ln\frac{x+2}{x} x + 2 2 x − 2 + ln x x + 2 , integrala cu f ( x ) \sqrt{f(x)} f ( x ) și definiția lui I n I_n I n .
Au fost verificate condițiile de existență: x > 0 x>0 x > 0 la legea de compoziție, radicalii și numitorii pozitivi, domeniul logaritmului și f ( e x ) > 0 f(\sqrt{e^x})>0 f ( e x ) > 0 .
La algebră liniară s-au calculat explicit determinantul det A ( a ) = ( a − 1 ) ( a + 2 ) \det A(a)=(a-1)(a+2) det A ( a ) = ( a − 1 ) ( a + 2 ) , condiția de unicitate și soluțiile parametrice pentru a = 1 a=1 a = 1 .
La analiza funcției s-au justificat derivata, semnul derivatei, limitele, imaginea funcției și convenția N = { 0 , 1 , 2 , … } \mathbb N=\{0,1,2,\ldots\} N = { 0 , 1 , 2 , … } .
Integralele au fost calculate cu substituții sau derivate recunoscute, iar egalitatea pentru I n I_n I n a fost demonstrată pentru orice n ∈ N ∗ n\in\mathbb N^* n ∈ N ∗ .