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数学
题目

已知集合 A = x | a-1 < x < 2a+4、B = x | x^2 - 4x - 12 leq 0,若 A cap B = emptyset,求实数 a 的取值范围。

已知集合 $A = \{x | a-1 < x < 2a+4\}$、$B = \{x | x^2 - 4x - 12 \leq 0\}$,若 $A \cap B = \emptyset$,求实数 $a$ 的取值范围。

题目解答

答案

我们来逐步解决这个集合问题。

题目已知:

  • 集合 $ A = \{x \mid a - 1 < x < 2a + 4\} $
  • 集合 $ B = \{x \mid x^2 - 4x - 12 \leq 0\} $
  • 条件:$ A \cap B = \emptyset $,即集合 $ A $ 与集合 $ B $ 没有交集

要求:求实数 $ a $ 的取值范围

第一步:求集合 $ B $

我们先解不等式:

$x^2 - 4x - 12 \leq 0$

先解对应的方程:
$x^2 - 4x - 12 = 0$

用因式分解或求根公式:

$x = \frac{4 \pm \sqrt{(-4)^2 - 4 \cdot 1 \cdot (-12)}}{2} = \frac{4 \pm \sqrt{16 + 48}}{2} = \frac{4 \pm \sqrt{64}}{2} = \frac{4 \pm 8}{2}$

所以:
$x = \frac{4 + 8}{2} = 6, \quad x = \frac{4 - 8}{2} = -2$

二次函数开口向上,所以不等式 $ x^2 - 4x - 12 \leq 0 $ 的解集是两根之间的闭区间:

$B = \{x \mid -2 \leq x \leq 6\}$

第二步:分析集合 $ A $

$A = \{x \mid a - 1 < x < 2a + 4\}$

这是一个开区间,左端点是 $ a - 1 $,右端点是 $ 2a + 4 $

注意:这个区间是否有效,取决于左端点是否小于右端点:

$a - 1 < 2a + 4 \Rightarrow -1 - 4 < a \Rightarrow a > -5$

所以:

  • 当 $ a > -5 $ 时,$ A $ 是一个非空开区间
  • 当 $ a \leq -5 $ 时,$ a - 1 \geq 2a + 4 $,区间为空集

第三步:分析 $ A \cap B = \emptyset $

我们分两种情况讨论:

情况 1:$ A = \emptyset $

即当 $ a \leq -5 $ 时,$ A $ 是空集

空集与任何集合的交集都是空集,所以此时 $ A \cap B = \emptyset $ 成立

✅ 所以 $ a \leq -5 $ 是满足条件的一部分

情况 2:$ A \neq \emptyset $,即 $ a > -5 $

此时 $ A $ 是一个非空开区间:$ (a - 1, 2a + 4) $

我们要求它与 $ B = [-2, 6] $ 没有交集

即:
$(a - 1, 2a + 4) \cap [-2, 6] = \emptyset$

两个区间无交集,说明它们完全分离

即:要么 $ A $ 完全在 $ B $ 的左边,要么完全在 $ B $ 的右边

子情况 2.1:$ A $ 在 $ B $ 左边

即 $ A $ 的右端点 $ \leq B $ 的左端点

注意:$ A $ 是开区间,$ B $ 是闭区间

所以要保证 $ A $ 中所有数都小于 $ -2 $,即:

$2a + 4 \leq -2 \Rightarrow 2a \leq -6 \Rightarrow a \leq -3$

同时,这个情况要求 $ A $ 非空,即 $ a > -5 $

所以此子情况的条件是:
$-5 < a \leq -3$

(注意:当 $ 2a+4 = -2 $ 时,$ A = (a-1, -2) $,所有元素都小于 -2,不会进入 $ B = [-2,6] $,因为是开区间,不包含 -2,所以仍然无交集)

✅ 所以 $ -5 < a \leq -3 $ 满足条件

子情况 2.2:$ A $ 在 $ B $ 右边

即 $ A $ 的左端点 $ \geq B $ 的右端点

即:
$a - 1 \geq 6 \Rightarrow a \geq 7$

此时 $ A = (a - 1, 2a + 4) $,左端点 $ \geq 6 $,而 $ B = [-2,6] $,最大值是 6

因为 $ A $ 是开区间,左端点 $ a - 1 > 6 $ 时,$ A $ 中所有元素都大于 6,与 $ B $ 无交

但注意:当 $ a - 1 = 6 $,即 $ a = 7 $,则 $ A = (6, 2 \cdot 7 + 4) = (6, 18) $,仍然不包含 6,所以与 $ B $ 无交集(因为 $ B $ 最大是 6,但 $ A $ 从大于 6 开始)

所以当 $ a \geq 7 $ 时,$ A $ 完全在 $ B $ 右侧,无交集

✅ 所以 $ a \geq 7 $ 也满足条件

第四步:合并所有满足条件的 $ a $

我们有以下三种情况满足 $ A \cap B = \emptyset $:

  1. $ a \leq -5 $:$ A $ 为空集
  2. $ -5 < a \leq -3 $:$ A $ 非空,但在 $ B $ 左侧
  3. $ a \geq 7 $:$ A $ 非空,但在 $ B $ 右侧

将它们合并:

  • $ a \leq -3 $ 或 $ a \geq 7 $

注意:从 $ a \leq -5 $ 和 $ -5 < a \leq -3 $ 合并得 $ a \leq -3 $

所以最终解集为:

$a \leq -3 \quad \text{或} \quad a \geq 7$

答案:

$\boxed{(-\infty, -3] \cup [7, +\infty)}$

✅ 答:实数 $ a $ 的取值范围是 $ (-\infty, -3] \cup [7, +\infty) $

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