\chapter{Equazioni e disequazioni con valore assoluto}\label{cap:AA-019} \citazioneinizio{% Il valore assoluto è la distanza, e la distanza non ha mai segno: è ciò che resta delle relazioni quando si dimentica la direzione.% }{adattamento da un manuale di calcolo classico} % ============================================================ \section{Introduzione motivazionale}\label{sec:aa-019-01-introduzione-motivazionale} % ============================================================ Il valore assoluto $|x|$ — che abbiamo incontrato nei capitoli \ref{cap:AA-001} e \ref{cap:AA-009} — è la \emph{distanza} di un numero da zero sulla retta reale. È una grandezza sempre non negativa, e questa proprietà semplice ma fondamentale rende le equazioni e le disequazioni che lo contengono \emph{più delicate} di quanto suggerisca l'apparenza: l'equazione $|x|=5$ non ha una soluzione, ne ha \emph{due}; la disequazione $|x|<3$ non descrive una semiretta, ma una \emph{striscia}. In questo capitolo studiamo sistematicamente le equazioni e disequazioni della forma $|f(x)|=k$, $|f(x)|k$, e poi quelle più generali con $g(x)$ al secondo membro o con \emph{più moduli} insieme. Per ognuna vedremo due strategie equivalenti: \begin{itemize} \item la \emph{lettura come distanza}, geometricamente intuitiva; \item il \emph{metodo per casi}, basato sulla definizione di valore assoluto. \end{itemize} Le competenze qui apprese saranno utilissime quando incontreremo errori sperimentali in fisica, intorni in analisi (capitolo \ref{cap:AN-001}), e la continuità di una funzione (capitolo \ref{cap:AN-005}). % ============================================================ \section{Definizione di valore assoluto e proprietà}\label{sec:aa-019-01-definizione-di-valore-assoluto-e-proprieta} % ============================================================ \begin{definizione}[Valore assoluto] Per ogni $x\in\R$, il \textbf{valore assoluto} di $x$ è \[ |x| = \begin{cases} x & \text{se } x\ge 0,\\ -x & \text{se } x<0. \end{cases} \] Geometricamente, $|x|$ è la distanza del punto $x$ dall'origine sulla retta reale. \end{definizione} \begin{teorema}[Proprietà del valore assoluto] Per ogni $x,y\in\R$: \begin{itemize} \item $|x|\ge 0$, con $|x|=0\Leftrightarrow x=0$; \item $|x|=|-x|$; \item $|x\cdot y| = |x|\cdot |y|$; \item $\left|\dfrac{x}{y}\right| = \dfrac{|x|}{|y|}$ per $y\neq 0$; \item \emph{disuguaglianza triangolare}: $|x+y|\le |x| + |y|$; \item \emph{disuguaglianza triangolare inversa}: $\bigl||x|-|y|\bigr| \le |x-y|$. \end{itemize} \end{teorema} \textit{Dimostrazione (idea).} Tutte si verificano analizzando i due casi $x\ge 0$ e $x<0$ (o le quattro combinazioni di segno per le formule con due variabili). La disuguaglianza triangolare segue dalla definizione e da $-|x|\le x\le |x|$. \begin{nota}[Lettura come distanza] Più in generale, $|a-b|$ è la \emph{distanza tra i punti $a$ e $b$} sulla retta reale: $|3-7|=|{-4}|=4$, distanza fra $3$ e $7$. \end{nota} \begin{formulabox} \[ |x-x_0| = \text{distanza tra } x \text{ e } x_0. \] \end{formulabox} % ============================================================ \section{Equazioni con un valore assoluto}\label{sec:aa-019-02-equazioni-con-un-valore-assoluto} % ============================================================ \subsection*{Forma $|f(x)| = k$ con $k$ costante} \begin{teorema} Sia $k\in\R$. L'equazione $|f(x)|=k$: \begin{itemize} \item se $k<0$, è \emph{impossibile} (un valore assoluto non può essere negativo); \item se $k=0$, equivale a $f(x)=0$; \item se $k>0$, equivale a $f(x)=k\ \lor\ f(x)=-k$. \end{itemize} \end{teorema} \textit{Dimostrazione.} Per definizione $|f(x)|=k$ con $k\ge 0$ significa che la distanza $|f(x)|$ è $k$, ossia $f(x)$ è uno dei due numeri a distanza $k$ dallo $0$: $+k$ oppure $-k$. \begin{esempio} $|x-2|=5$. \textit{Soluzione.} Il secondo membro è $5>0$. Allora $x-2=5\ \lor\ x-2=-5$, da cui $x=7\ \lor\ x=-3$. Le soluzioni sono $\{-3,\,7\}$. Lettura geometrica: i due numeri a distanza $5$ da $2$ sono proprio $7$ e $-3$. \end{esempio} \begin{esempio} $|3x+1|=-2$. \textit{Soluzione.} Il secondo membro è negativo. \emph{Impossibile}: nessuna soluzione. \end{esempio} \subsection*{Forma $|f(x)| = |g(x)|$} \begin{teorema} $|f(x)|=|g(x)| \iff f(x)=g(x)\ \lor\ f(x)=-g(x)$. \end{teorema} \textit{Dimostrazione.} I due valori assoluti sono uguali se e solo se le quantità sotto modulo sono uguali \emph{o opposte}. Equivalentemente: $f^2(x) = g^2(x)$, che si fattorizza come $(f(x)-g(x))(f(x)+g(x))=0$, da cui $f(x)=g(x)$ oppure $f(x)=-g(x)$. \begin{esempio} $|x-1|=|2x+3|$. \textit{Soluzione.} Due possibilità: \begin{itemize} \item $x-1 = 2x+3 \Rightarrow x = -4$. \item $x-1 = -(2x+3) = -2x-3 \Rightarrow 3x = -2 \Rightarrow x = -\dfrac{2}{3}$. \end{itemize} Soluzioni: $\{-4,\ -\tfrac{2}{3}\}$. \end{esempio} \subsection*{Forma $|f(x)| = g(x)$ con $g$ espressione variabile} \begin{teorema} $|f(x)|=g(x)$ equivale al sistema \[ g(x)\ge 0 \quad \land \quad \bigl(f(x)=g(x)\ \lor\ f(x)=-g(x)\bigr). \] \end{teorema} In pratica: prima si impone $g(x)\ge 0$ (perché $|f(x)|\ge 0$), poi si risolvono le due equazioni e si tengono solo le soluzioni accettate dalla condizione di compatibilità. \begin{esempio} $|x-3|=2x$. \textit{Soluzione.} \begin{itemize} \item Condizione di accettabilità: $2x\ge 0 \Rightarrow x\ge 0$. \item Caso $x-3 = 2x \Rightarrow x = -3$. Non accettabile ($-3 < 0$). \item Caso $x-3 = -2x \Rightarrow 3x=3 \Rightarrow x = 1$. Accettabile. \end{itemize} Soluzione: $\{1\}$. \end{esempio} % ============================================================ \section{Disequazioni con un valore assoluto}\label{sec:aa-019-03-disequazioni-con-un-valore-assoluto} % ============================================================ \subsection*{Forma $|f(x)| < k$ con $k$ costante} \begin{teorema} Sia $k\in\R$. La disequazione $|f(x)|0$, equivale a $-k < f(x) < k$. \end{itemize} \end{teorema} \textit{Dimostrazione.} $|f(x)| k$ con $k$ costante} \begin{teorema} Sia $k\in\R$. La disequazione $|f(x)|>k$: \begin{itemize} \item se $k<0$, è \emph{sempre vera} (ogni reale ha valore assoluto $\ge 0 > k$); \item se $k=0$, equivale a $f(x)\neq 0$; \item se $k>0$, equivale a $f(x)<-k\ \lor\ f(x)>k$. \end{itemize} \end{teorema} \textit{Dimostrazione.} $|f(x)|>k>0$ significa che $f(x)$ è \emph{fuori} dall'intervallo chiuso $[-k,k]$, cioè $f(x)<-k$ oppure $f(x)>k$. \begin{esempio} $|x-2|\ge 5$. \textit{Soluzione.} $x-2\le -5\ \lor\ x-2\ge 5$, cioè $x\le -3\ \lor\ x\ge 7$. Soluzione: $(-\infty,-3]\cup[7,+\infty)$. Lettura geometrica: $x$ è a distanza \emph{almeno} $5$ da $2$, cioè è esterno (o sul bordo) all'intervallo $[-3,7]$. \end{esempio} \begin{figure}[H] \centering \begin{tikzpicture}[scale=1.0] % Caso |x-2| < 5: intervallo (-3, 7) evidenziato \begin{scope} \draw[GRIGIO] (-5, 0) -- (9, 0); \draw[thick, BLU, ultra thick] (-3, 0) -- (7, 0); \draw[BLU, fill=white, thick] (-3, 0) circle (3pt); \draw[BLU, fill=white, thick] ( 7, 0) circle (3pt); \fill[BLU] (2, 0) circle (3pt); \foreach \x in {-5,-3,0,2,5,7,9} { \draw[GRIGIO] (\x, -0.1) -- (\x, 0.1); \node[GRIGIO, below] at (\x, -0.15) {\scriptsize$\x$}; } \node[BLU, above] at (2, 0.2) {\small$x_0=2$}; \node[BLU, align=center] at (4, 1.0) {\small$|x-2|<5$\\\scriptsize\emph{tutto entro $5$ da $2$}}; \draw[<->, BLU] (-2.7, 0.4) -- (6.7, 0.4) node[midway, above] {\scriptsize raggio $5$}; \end{scope} % Caso |x-2| > 5: due semirette \begin{scope}[yshift=-2.5cm] \draw[GRIGIO] (-5, 0) -- (9, 0); \draw[thick, ROSSO, ultra thick] (-5.5, 0) -- (-3, 0); \draw[thick, ROSSO, ultra thick] (7, 0) -- (9.5, 0); \draw[ROSSO, fill=white, thick] (-3, 0) circle (3pt); \draw[ROSSO, fill=white, thick] ( 7, 0) circle (3pt); \fill[ROSSO] (2, 0) circle (3pt); \foreach \x in {-5,-3,0,2,5,7,9} { \draw[GRIGIO] (\x, -0.1) -- (\x, 0.1); \node[GRIGIO, below] at (\x, -0.15) {\scriptsize$\x$}; } \node[ROSSO, above] at (2, 0.2) {\small$x_0=2$}; \node[ROSSO, align=center] at (4, 1.0) {\small$|x-2|>5$\\\scriptsize\emph{fuori da $5$ da $2$}}; \end{scope} \end{tikzpicture} \caption{Lettura geometrica delle disequazioni con valore assoluto. Sopra: $|x-2|<5$ dà la striscia aperta $(-3,7)$ di raggio $5$ centrata in $2$. Sotto: $|x-2|>5$ dà le due semirette esterne, $(-\infty,-3)\cup(7,+\infty)$. Pallino vuoto = estremo escluso.} \label{fig:aa-019-disequazioni} \end{figure} \begin{nota}[Sintesi visiva] Le due forme si riassumono visivamente come ``\emph{striscia interna}'' ($<$) o ``\emph{due semirette esterne}'' ($>$) rispetto al punto centrale e al raggio dato: \[ |x-x_0|r \iff x\in(-\infty,x_0-r)\cup(x_0+r,+\infty). \] \end{nota} \subsection*{Forme $|f(x)| < g(x)$ e $|f(x)| > g(x)$} \begin{teorema} Per ogni $f,g$: \[ |f(x)| < g(x) \iff g(x)>0 \ \land\ -g(x) < f(x) < g(x), \] \[ |f(x)| > g(x) \iff g(x)<0 \ \lor\ \bigl(g(x)\ge 0\ \land\ (f(x)<-g(x)\ \lor\ f(x)>g(x))\bigr). \] \end{teorema} In pratica: per $|f|0$ e la doppia disequazione; per $|f|>g$ si distinguono i due casi sul segno di $g$. % ============================================================ \section{Casi con più moduli}\label{sec:aa-019-04-casi-con-piu-moduli} % ============================================================ Quando in un'equazione (o disequazione) compaiono \emph{più} valori assoluti, l'approccio sistematico è il \emph{metodo per casi}: si divide la retta reale in intervalli su cui ciascun valore assoluto ha un segno noto, e in ogni intervallo si scrive l'espressione \emph{senza} valori assoluti. \begin{procedura}[Metodo per casi] \hfill \begin{enumerate} \item Per ogni valore assoluto $|h_i(x)|$ presente, si trovano i \emph{punti di cambio segno}: le soluzioni di $h_i(x)=0$. \item Si suddivide $\R$ negli intervalli delimitati da questi punti. \item In ciascun intervallo si scrive ogni $h_i(x)$ con il proprio segno (sapendolo per costruzione): $|h_i(x)|=h_i(x)$ se positivo, $|h_i(x)|=-h_i(x)$ se negativo. \item Si risolve l'equazione (o disequazione) ottenuta in ogni intervallo, e si tengono solo le soluzioni appartenenti a quell'intervallo. \item Si uniscono le soluzioni dei vari casi. \end{enumerate} \end{procedura} \begin{esempio}[Due moduli] Risolvere $|x-1| + |x+2| = 5$. \textit{Soluzione.} I punti di cambio segno sono $x=1$ (per $|x-1|$) e $x=-2$ (per $|x+2|$). Tre intervalli: $(-\infty,-2)$, $[-2,1)$, $[1,+\infty)$. \emph{Caso 1: $x<-2$.} $|x-1|=-(x-1)=1-x$; $|x+2|=-(x+2)=-x-2$. L'equazione diventa \[ (1-x) + (-x-2) = 5 \iff -2x -1 = 5 \iff x = -3. \] $-3 < -2$: accettabile. \emph{Caso 2: $-2 \le x < 1$.} $|x-1| = 1-x$; $|x+2|=x+2$. L'equazione: \[ (1-x) + (x+2) = 5 \iff 3 = 5, \] falsa: nessuna soluzione in questo intervallo. \emph{Caso 3: $x\ge 1$.} $|x-1|=x-1$; $|x+2|=x+2$. L'equazione: \[ (x-1) + (x+2) = 5 \iff 2x + 1 = 5 \iff x = 2. \] $2\ge 1$: accettabile. Soluzioni: $\{-3,\, 2\}$. Lettura geometrica: i punti la cui somma delle distanze da $1$ e da $-2$ è $5$. \end{esempio} \begin{figure}[H] \centering \begin{tikzpicture}[scale=0.95] % Retta reale con i punti di cambio segno e i tre intervalli colorati \draw[->, GRIGIO] (-5, 0) -- (5, 0); % Tacche \foreach \x in {-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4} { \draw[GRIGIO] (\x, -0.08) -- (\x, 0.08); \node[GRIGIO, below] at (\x, -0.1) {\scriptsize$\x$}; } % Punti di cambio segno \fill[ROSSO] (-2, 0) circle (3pt); \fill[ROSSO] ( 1, 0) circle (3pt); \node[ROSSO, above] at (-2, 0.25) {\small$-2$}; \node[ROSSO, above] at ( 1, 0.25) {\small$1$}; % Box che etichettano i tre casi \draw[BLU, thick] (-5, -1.2) -- (-2, -1.2); \draw[VERDE, thick] (-2, -1.2) -- ( 1, -1.2); \draw[VIOLA, thick] ( 1, -1.2) -- ( 5, -1.2); \draw[BLU, fill=white, thick] (-2, -1.2) circle (2.5pt); \draw[VERDE, fill=VERDE] (-2, -1.2) circle (2pt); \draw[VERDE, fill=white, thick] ( 1, -1.2) circle (2.5pt); \draw[VIOLA, fill=VIOLA] ( 1, -1.2) circle (2pt); \node[BLU, align=center] at (-3.5, -1.7) {\scriptsize caso 1\\\scriptsize $|x-1|=1-x$\\\scriptsize $|x+2|=-x-2$}; \node[VERDE!60!black, align=center] at (-0.5, -1.7) {\scriptsize caso 2\\\scriptsize $|x-1|=1-x$\\\scriptsize $|x+2|=x+2$}; \node[VIOLA, align=center] at ( 3, -1.7) {\scriptsize caso 3\\\scriptsize $|x-1|=x-1$\\\scriptsize $|x+2|=x+2$}; \end{tikzpicture} \caption{Metodo per casi con due valori assoluti. I punti $x=-2$ (cambio segno di $x+2$) e $x=1$ (cambio segno di $x-1$) suddividono la retta in tre intervalli; in ognuno i valori assoluti si scrivono in modo univoco e si risolve la corrispondente equazione/disequazione \emph{senza moduli}.} \label{fig:aa-019-metodo-casi} \end{figure} % ============================================================ \section{Esempi svolti}\label{sec:aa-019-06-esempi-svolti} % ============================================================ \begin{esempio}[Equazione modulo costante] Risolvere $|2x+1|=7$. \textit{Soluzione.} $7>0$: due casi. \begin{itemize} \item $2x+1 = 7 \Rightarrow x = 3$. \item $2x+1 = -7 \Rightarrow x = -4$. \end{itemize} Soluzioni: $\{-4,\, 3\}$. \end{esempio} \begin{esempio}[Modulo = modulo] Risolvere $|x^2 - 4| = |2x - 1|$. \textit{Soluzione.} Due casi: $x^2-4 = 2x-1$ oppure $x^2-4=-(2x-1)$. \begin{itemize} \item Caso 1: $x^2 - 2x - 3 = 0 \Rightarrow (x-3)(x+1)=0 \Rightarrow x=3$ o $x=-1$. \item Caso 2: $x^2 + 2x - 5 = 0 \Rightarrow x = \dfrac{-2\pm\sqrt{4+20}}{2} = -1\pm\sqrt{6}$. \end{itemize} Soluzioni: $\{-1,\,3,\,-1+\sqrt{6},\,-1-\sqrt{6}\}$. (Le equazioni di secondo grado le studieremo a fondo nel capitolo \ref{cap:AA-025}.) \end{esempio} \begin{esempio}[Modulo $=$ espressione variabile] Risolvere $|x-2| = x + 3$. \textit{Soluzione.} \begin{itemize} \item Compatibilità: $x+3\ge 0 \Rightarrow x\ge -3$. \item Caso 1: $x-2 = x+3 \Rightarrow -2=3$, impossibile. \item Caso 2: $x-2 = -(x+3) = -x-3 \Rightarrow 2x = -1 \Rightarrow x = -\tfrac{1}{2}$. Accettabile ($-\tfrac{1}{2}\ge -3$). \end{itemize} Soluzione: $\{-\tfrac{1}{2}\}$. \end{esempio} \begin{esempio}[Disequazione modulo $<$ costante] Risolvere $|3x-1|<5$. \textit{Soluzione.} $-5 < 3x-1 < 5 \iff -4 < 3x < 6 \iff -\tfrac{4}{3} < x < 2$. Soluzione: $\left(-\tfrac{4}{3},\ 2\right)$. \end{esempio} \begin{esempio}[Disequazione modulo $\ge$ costante] Risolvere $|2x+3|\ge 1$. \textit{Soluzione.} $2x+3\le -1\ \lor\ 2x+3\ge 1$, cioè $x\le -2\ \lor\ x\ge -1$. Soluzione: $(-\infty,\,-2]\cup[-1,\,+\infty)$. \end{esempio} \begin{esempio}[Due moduli: somma di distanze] Trovare tutti i punti $x$ tali che la somma delle distanze da $-3$ e da $5$ sia minore di $10$. \textit{Soluzione.} Si traduce in $|x+3|+|x-5|<10$. Punti di cambio: $x=-3$ e $x=5$. \emph{Caso $x<-3$}: $-(x+3) -(x-5) < 10 \Rightarrow -2x+2 < 10 \Rightarrow x>-4$. Intersezione: $-4 < x < -3$. \emph{Caso $-3\le x\le 5$}: $(x+3) -(x-5) = 8 < 10$, sempre vera. Tutto l'intervallo. \emph{Caso $x>5$}: $(x+3) + (x-5) < 10 \Rightarrow 2x-2 < 10 \Rightarrow x<6$. Intersezione: $5k$:\quad (a) $|x|>2$;\quad (b) $|x+1|\ge 4$;\quad (c) $|2x-3|>5$;\quad (d) $|x-5|\ge 0$. \item Risolvi con il metodo per casi:\quad (a) $|x-1|+|x+3|=6$;\quad (b) $|x|-|x-2|=1$;\quad (c) $|x+1|+|x-2|<5$;\quad (d) $|x|+|x-1|>3$. \item Risolvi (modulo $<$ espressione variabile):\quad (a) $|x-2|0$. \item \emph{Equazione $|f|=|g|$}: $f=g\lor f=-g$. \item \emph{Equazione $|f|=g(x)$}: imporre $g\ge 0$ e risolvere $f=\pm g$ tenendo solo le soluzioni compatibili. \item \emph{Disequazione $|f|0$}: $-kk$ con $k>0$}: $f<-k\lor f>k$ (\emph{due semirette esterne}); sempre vera se $k<0$. \item Per disequazioni $|f|g(x)$ si studia il segno di $g$ e si riconducono ai casi base. \item \emph{Con più moduli}: \textbf{metodo per casi}. Si individuano i punti di cambio segno di ogni modulo, si suddivide $\R$ in intervalli, in ognuno si scrive l'espressione senza moduli e si risolve. \item Tutte le tecniche hanno una lettura geometrica naturale come ``distanza da un punto'' e si visualizzano sulla retta reale. \end{itemize} \end{riepilogo}