哈特利高中數學 數線上的幾何
§ 數線上的幾何
主題1:尺規作圖
1.有理數與無理數的作圖:
(1)在數線上標示出有理數的坐標位置:
若m n, 皆為整數,且n0,則在數線上標出代表m
n 對應點的作法如下:
【步驟一】在數線上找到整數m的對應點P。
【步驟二】過原點O﹐作一異於數線的直線L。
【步驟三】利用圓規在L上取n個點﹐A A1, 2, , An﹐使得 OA1A A1 2 A A2 3 A An1 n ﹒
【步驟四】連接A Pn ,再過A1,作一直線A Q1
平行於A Pn 且與數線交於點Q,則點Q即為對 應到有理數m
n 的點。
(2)在數線上標示出有 n型的無理數坐標位置:
若n p q其中p q, 皆為正整數,則在數線上標出代表 n對應點的作法如下:
【步驟一】在數線上找到整數p及q的對應點P Q, 。
【步驟二】以PQ為直徑作一半圓﹐如右圖:
【步驟三】過原點O作OAPQ
且交半圓於A點,則OA p q n
【步驟四】以原點為圓心,OA為半徑畫一弧交數線正向於一點B,則點B即為對應到無理數 n的點。
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重要範例:尺規作圖
1.以 線段為單位長(長度為1)﹐試作出長度為 5的線段﹒
解 利用直尺及圓規作圖﹒首先作一線段AB6﹐ 以AB為直徑作一半圓﹐在AB上取點D﹐使AD1﹐ 過點D作AB的垂線交半圓於C﹒由於ACB90﹐ 故CD 5﹒
隨堂練習.以 線段為單位長(長度為1)﹐試作出長度為 3的線段﹒
解 利用直尺及圓規作圖﹐首先作AB4﹐以AB為直徑作一半圓﹐
在AB上取點D﹐使AD1﹐過點D作AB的垂線交半圓於C﹐
由於ACB90﹐故CD 3﹒
2.已知油畫的尺寸號碼與其面積成正比﹐令尺寸為10號的A畫大小為53公分41公分﹐若
B畫為65公分50公分大小﹐則B畫應是幾號?
解 設B畫為x號﹐則(53 41) : (65 50) 10 : x﹐ 65 50 10 15 53 41
x
(號)﹒
隨堂練習.一張B4的紙對摺後剪開可得兩張B5的紙﹐且B5與B4的紙是相似形﹐求B4紙中矩 形的長寬比為?
解 設矩形原來的寬為1,長為x(x1),則對摺後的長方形長為1,寬為 2 x,
故 :1 1:
2
x x,得
2
2 1
x ,x2 2,x 2。即矩形的長寬比為 2 :1﹒
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3.義大利畫家達文西把一線段分成兩段不相等的線段﹐使得較長的一段與較短的一段 之比等於全段與較長一段之比﹐而這種比值稱為黃金比例﹐常用φ表示:,
5 1 2 AP AB BP AP
﹐試求BPAB時的值﹒
解 1 1 2
( )
BP AP A
B﹐ ( )1 2 ( 2 )2 ( 5 1)2 3
2 2
5 1
5 ﹒
隨堂練習.某生使用直尺與圓規作圖﹐在線段AB上
(1)作直角△ABC﹐滿足 1
BC2AB﹒
(2)以C為圓心﹐BC為半徑畫弧交AC於D﹒
(3)以A為圓心﹐AD為半徑畫弧交AB於P﹒
試問AP k PB 時的k值﹒
解 設BC1﹐則AB2﹐AC 5,
又因CD BC 1﹐得AD 5 1 ﹐即AP AD 5 1 ﹐ 而PB AB AP 2 ( 5 1) 3 5﹐
即 5 1 5 1 3 5 2
k AP BP
﹒
4.下列各無理數中﹐何者可以尺規作圖的方法﹐在數線上標出代表它們的點﹖ (1) 2 2
(2) 2 3 (3)32 (4)42 3 (5)﹒
解 (I)只要na(a 0﹐n 2k﹐k是正整數)皆可以尺規作圖﹐∴(1)(2)(4)可作圖﹒
(II)32與 不可以尺規作圖是古希臘三大難題之中的二個無解難題﹒
故選(1)(2)(4)﹒
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主題2:分點公式
1.數線上的分點公式:已知數線上相異兩點A a( ), B b( )且AP PB m n: : ,則:
(1)內分點:P(x)AB,則 mb na
x m n
(2)外分點:P(x)AB,則 mb na
x m n
(3).中點公式:已知數線上兩點A a( ), B b( ),則AB的中點P坐標為
2 a b
重要範例:分點公式
1.設r﹐sQ且r s﹐若r t s﹐則t值可為下列何者﹖ (1) 7 r s
(2)2 2 7 r s
(3)3 3 7 r s (4)4 4
7 r s
(5)5 2 7 r s
﹒
解 由分點公式知:若r t s﹐t為r﹐s的內分點則t nr ms m n
﹐ 故選(5)﹒
隨堂練習.( )設r、s是有理數﹐r s且m、n是正整數﹐則下列何者恆成立﹖ (1) 3 r r s
s
(2) 3 3
4 2 4
r s r s
r s s (3) 2 3 3r 2
5 5
r s s
r s
(4)r nr ms s
m n
r ﹒
解 P B 且
A
: :
AP PBm n﹐A(r)﹐B(s)﹐則 (nr ms) P m n
﹐ 選(2)(4)﹒
滿足 故
2.數線上有二定點A(3)﹐B(5)﹐又P為數線上另一點﹐ PA PB: 3:2﹐則:
之
( 點P不在 之間時﹐P的坐標為____________﹒
(1)設 ﹐則
(1)當點P在A, B 間時﹐P的坐標為____________﹒
2)當 A B,
解 P x( ) 2 ( 3) 3 5 9
3 2 5
x
﹒
(2)若P不介於A﹐B之間﹐則P在B右側,5 2 ( 3) 1 1 2
x
,
15 = 6 x,得x = 21﹒
即
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隨堂練習.數線上兩點A( − 2),B(13),已知數線上一點P(x),且AP:BP3 2: ,求x的值。
解 若P(x)點在AB上,則 3 13 2 ( 2) 35
3 2 5 7
x
。
若P(x)點在AB外,則AB BP: 1 2: , 1 2 ( 2) 1 2 13 x
,得x = 43。
故x = 7或43﹒
4.有兩隻螞蟻黑蟻與白蟻,黑蟻在數線上的A(4)處,白蟻在數線上的B( − 6)處,已知每分鐘
黑蟻與白蟻可分別在數線上爬行2單位長及3單位長。今他們同時由所在的位置開始等速爬 行,並規定如下:
(I)白蟻一直向右。
(II)若黑蟻一開始向右,就只能一直向右;一開始向左,就只能一直向左。
(III)他們中途不會停止,直到相遇為止。
若他們在數線的C點相遇,則C點坐標為____________。(有二解)
解 (I)設黑蟻一開始向右,且t分鐘後相遇,
6 4
B(白) A(黑) -
⇒ 3t – 2t = 10 ⇒ t = 10,所以C點坐標為4 + 2 × 10 = 24。
(II)設黑蟻一開始向左,且t分鐘後相遇,
6 4
B(白) A(黑) -
⇒ 3t + 2t = 10 ⇒ t = 2,所以C點坐標為 − 6 + 3 × 2 = 0。
故C點坐標為0或24﹒
隨堂練習.在坐標平面上﹐正方形ABCD的四個頂點坐標分別為A(0,1)﹐B(0,0)﹐C(1,0)﹐D(1,1)﹒
設P為正方形ABCD內部的一點﹐若△PDA與△PBC的面積比為1:2﹐且△PAB與△PCD的面
積比為2:3﹐則P點的坐標為____________﹒(化成最簡分數)﹒
解 △PAB:△PCD = 2:3﹐由分點公式知 2 a 5
P(a,b) D(1,1) A(0,1)
C(1,0)
B(0,0) x
﹐ y
△PDA:△PBC = 1:2﹐由分點公式知 2
b3﹐故 ( , )2 2 P 5 3 ﹒
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主題3:絕對值
1.絕對值:設aR,|a|表數線上 與原點的距離。 a
※絕對值的定義:設a為實數﹐則規定 , 0
| | , 0
a a
a a a
當 時
當 時
2.設P﹐Q為數線上兩點,其所對應的實數分別為a,b,則P,Q兩點的距離PQ|a b |。 3.絕對值的基本性質:
(1). xa bab xab; xa b xabxab
(2). 2 2
n m n x m
m x
n ;
2 2
n m n x m
n x m
x
(3). a b ab a b
4.區間:在表示數線上的範圍時,也可以使用小括弧( ),中括弧[ ]來表示區間的符號,
現在定義如下:
設 a、b 為實數且 a<b。我們將數線上的範圍
(1)a x b 記為[a﹐b](又稱為閉區間,即含兩端點)。 (2)a x b < 記為[a﹐b)。
(3)a x b< 記為(a﹐b]。
(4)a x b< < 記為(a﹐b)(又稱為開區間,即不含兩端點)。 (5)x a 記為[a﹐∞)(其中∞是表示無限大的一個記號)。 (6)x>a 記為(a﹐∞)。
(7)x a 記為(-∞﹐a]。
(8)x<a 記為(-∞﹐a)。
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重要範例:絕對值的性質
1.設|a| |b|﹐a﹐b為實數﹐則下列何者正確﹖ (1)|a| 0 (2)|b| 0 (3)|a| b 0 (4)|b| a 0 (5)a(a b) 0﹒
解 (1)|a| |b| 0 |a| 0﹒
(2)|b| 0﹒
(3)|a| b |a| |b| 0 |a| b 0﹒
(4)反例﹕a 3﹐b 2﹒
(5)當a 0時﹐a |b| b﹐∴a b 0﹐∴a(a b) 0﹒
當a 0﹐由已知0 |b| 0不合﹒
當a 0﹐已知 a |b| b﹐∴ a b 0﹐即a b 0﹐∴a(a b) 0﹒
故選(1)(3)(5)﹒
隨堂練習. ( )實數a與b滿足a < b且|a| > |b|,則下列各選項的推論哪些是正確的?
(A)a < 0 (B)b < 0 (C)a + b < 0 (D)ab < 0 (E)|a| > b﹒
解 (A)○:設a ≥ 0 ⇒ 0 ≤ a < b ⇒ |a| < |b|,矛盾,故a < 0
(B)╳:反例:取a = − 2,b = 1滿足題意,此時b = 1 > 0
(C)○:|b| < |a| ⇒ − |a| < b < |a|,
又a < 0 ⇒ − ( − a) < b < − a,即b < − a ⇒ a + b < 0 (D)╳:反例:取a = − 3,b = − 2,此時ab = 6 > 0 (E)○:因為|a| > |b|且|b| ≥ b,所以|a| > |b| ≥ b ⇒ |a| > b
另解:因為a < b且|a| > |b|,即a < b且a至原點的距離大於b至原點的距離,所以 數線上的圖形為
a b 0
a b
大 小
a b 0 或
或
=0 由圖可知上述選項的真偽﹒
故選(A)(C)(E)﹒
2.設a﹐b﹐c是整數﹐已知|a 2 | 3 |b 5 | 4 |c 1| 2﹐求a﹐b﹐c之值﹒
解 因為| a 2 | 0﹐| b 5 | 0﹐|c 1| 0﹐
所以| b 5 | = 0﹐| c 1 | = 0﹐| a 2 | = 2﹐才滿足原方程式﹐
故b = 5﹐c = 1﹐a = 2 2 = 4或a = 2 2 = 0﹐
即a = 4或0﹐b = 5﹐c = 1﹒
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隨堂練習.設x,y,z為整數,2|x + 1| + |y + 2| + 3|z − 3| = 4,則(x,y,z)有____________組。
解 (I)|z − 3| = 1時:2|x + 1| + |y + 2| = 1 |x + 1| = 0,|y + 2| = 1,
此時x = − 1,y有2解,z有2解,共組成4解。
(II)|z − 3| = 0時:2|x + 1| + |y + 2| = 4
|x + 1| = 2,|y + 2| = 0…(i)或|x + 1| = 1,|y + 2| = 2…(ii)或|x + 1| = 0,|y + 2| = 4…
(iii),
由(i)得x有2解,y有1解,z有1解,共組成2解,
由(ii)得x有2解,y有2解,z有1解,共組成4解,
由(iii)得x有1解,y有2解,z有1解,共組成2解,
由(I)(II)知共有4 + (2 + 4 + 2) = 12(解)。 ﹒
3.設a1,試化簡 a22a 1 a22a1﹒ 解
∵a1 ∴a 1 0, a22a 1 a22a1
2 ( 1 2
a a
( 1) 2
( 1
( 1
) ) |
﹒
|a 1| |a 1
)
a a
隨堂練習.設0 x 1﹐試化簡 x2 12 2 x2 12 2
x x
解 ∵0 x 1 ∴1
1 x 0
x
2 2
2 2
1 1
2 2
x x
x x
2 2
1 1 1
(x ) (x ) |x | |x 1
x x x |
x
1 1
(x ) (x ) 2x
x x
﹒
4.數線上有點A(0),B(4),C(7),D(9),若P(x)到A,B的距離和恰等於到C,D的距離和,
即PA PB PC PD ,則x = ____________。
解
在數線上A,B,C,D的相對位置為: 0
A 4 B
7 C
9 D
又PA PB PC PD ⇒ P點在BC上,即4 ≤ x ≤ 7,
所以PA x 0,PB x 4,PC 7 x,PD 9 x
x + (x − 4) = (7 − x) + (9 − x) 2x − 4 = 16 − 2x x = 5﹒
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5.設a與a2為異號的兩實數,且均為方程式x2 x 3k 0的解,則k_______.
解 ∵a與a2為異號 a 0,a 2 0代入方程式得
2 3 0 2 3
a a k a a k0……
2 2
( 2) 2 3 0 ( 2) (
0
2) 3 0
a a k a a k …… 得
代入
6 6
2 2
(a2) (a 2) a a 0 a 1
a
1 1 3k 0 k 2
3﹒
重要範例:解絕對值方程式
1.x R,求使 | x 3 | | x 8 | k有解之最小整數k。
解 ∵ | x 3 | | x 8 | | 3 x | | x 8 | | (3 x) (x 8) | 11
∴ | x 3 | | x 8 | 11
∵ k | x 3 | | x 8 | 有實數解
∴ k 11,故最小整數k 11﹒
隨堂練習.設x是實數﹐且y = | x 5 | | x 3 |﹐則y的最小值為____________。
解 x 5時﹐y = x 5 x 3 = 2x 2 8﹒
3 x < 5時﹐y = 5 x x 3 = 8﹒
x < 3時﹐y = 5 x 3 x = 2 2x > 8﹒
故y的最小值為8﹒
2.方程式|x + 1| + |2x − 3| = 4的解為____________。
解
當x ≥ 3
2時,原式為(x + 1) + (2x − 3) = 4 x = 2,
當− 1 ≤ x <
3
2時,原式為(x + 1) + (3 − 2x) = 4 x = 0,
當x < − 1時,原式為( − x − 1) + (3 − 2x) = 4 x =
2
3
(不合), 所以x = 0或2﹒
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隨堂練習.數線上有三隻螞蟻,而三隻都沿著數線上移動,在某個時刻三隻螞蟻的位置分別在 A(1)、B(3)、C(x),且彼此間的距離和為6。
(1).利用絕對值方程式來說明三隻螞蟻彼此間位置,下列何者可表示?(單選題)
(A)|x − 1| + |x + 3| = 6 (B)|x − 1| + |x − 3| = 4 (C)|x + 1| + |x − 3| = 6 (D)|x − 1| + |x − 3| = 6 (E)|x − 1| + |x + 3| = 4
(2).若在C點的螞蟻不在原點上,則x = ?(非選擇題)
解 (1) 三隻螞蟻彼此間的距離可表示為|x − 1|,|x − 3|,|3 − 1|
|x − 1| + |x − 3| + |3 − 1| = 6即|x − 1| + |x − 3| = 4。
(2)分段討論:
(I)若x ≥ 3,x − 1 + x − 3 = 4 2x = 8,所以x = 4。
(II)若1 ≤ x < 3,x − 1 − x + 3 = 4(不合)。 (III)若x < 1, − x + 1 − x + 3 = 4 x = 0,
又在C點的螞蟻不在原點上,故x ≠ 0,因此x = 4﹒
3.方程式|x + 2| − |2x − 3| = x – 5的解為____________。
解 (I) 3
x2時 (x + 2) – (2x − 3) = x − 5 x = 5(合)。 (II)
2 3 x 2
時 (x + 2) + (2x − 3) = x − 5 x = − 2(合)。
(III)x < − 2時 − (x + 2) + (2x − 3) = x – 5 x − 5 = x − 5恆成立,
所以x < − 2(合)。
故由(I),(II),(III)知x ≤ − 2或x = 5﹒
隨堂練習.設x為實數,且2|x + 1| + |x − 2| − x = 8,則x的解為____________。
解 x + 1 | = 0及| x − 2 | = 0的解x = − 1和x = 2分段討論如下:
(I)x < − 1時,2( − x − 1) + (2 − x) − x = 8,得x = − 2,
(II) − 1 ≤ x < 2時,2(x + 1) + (2 − x) − x = 8,得4 = 8(不合), (III)x ≥ 2時,2(x + 1) + (x − 2) − x = 8,得x = 4,
故x = − 2或4﹒
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重要範例:解絕對值不等式 1.解下列絕對值不等式:
(1) x 3 (2) x 3 (3) 2x 1 5 (4) x 2 3 (5) 2 x 4 5。 解 (1) x 3 3 x 3
以區間表示其解為[ 3 ,3]
(2) x 3 x 3或
以區間表示其解為( , 3 x
3) (3, )
(3) 2x 1 5
以區間表示其解為[ 3
5 2x 1 5
2 x 3
,3]
(4) x 2 3 2 3或
x x 2 3
1
或
以區間表示其解為( , 5
x x
1] [5,
)
(5) 2 x 4 5
5或 2
或 以區間表示其解為
2 x 4
6 x 9
5 x 4
1 x2
( 1, 2) (6,9)
﹒
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隨堂練習.不等式4 < |2 − 3x| ≤ 16的解為____________。
解 (I)|2 − 3x| ≤ 16 − 16 ≤ 3x − 2 ≤ 16 14 3 x 6
, (II)4 < |2 − 3x| 2 − 3x > 4或2 − 3x < − 4 x < 2
3或x > 2,
所以 14 2
3 x 3
或2 < x ≤ 6 以區間表示其解為[ 4, 2) (2, 6
3 ]
2
﹒
2.解不等式 | 3 | 5 。
| 1|
x x
解 |x − 3| < 5 − 5 < x − 3 < 5 − 2 < x < 8,
| − x + 1| ≥ 2 |x − 1| ≥ 2 x − 1 ≥ 2或x − 1 ≤ − 2 x ≥ 3或x ≤ − 1。
聯立不等式的解為x的共同範圍,故3 ≤ x < 8或 − 2 < x ≤ − 1﹒
隨堂練習.設a,b為實數,若不等式 |1
|1
2 | 3
| 2 x x
和
1
|ax − 9| < b的解相同,則a – b的值為何? (A)
− 3 (B)− 5 (C) − 7 (D) − 9 (E) − 11
解 (I)(i)|1 + 2x| < 3 − 3 < 1 + 2x < 3 − 2 < x < 1,
(ii)|1 − x| > 2 x − 1 > 2或x − 1 < − 2 x > 3或x < − 1,
所以 − 2 < x < − 1。
(II) − 2 < x < − 1
|1 2 | 3
|1 | 2 x x
2 1
3 x
x x
或
3 3 3
2 ( ) ( ) 1 ( 2)
2 x 2
1 3
2 x 2
1
2
⇒
3 1
| |
2 2
x
1 1
| ( 6 9) |
6 x 2
⇒
1 1
| 6 9 | 6 x 2
| − 6x − 9| < 3,
所以a = − 6,b = 3,故a − b = − 6 − 3 = − 9﹒
3.若不等式|3x − p| < 4的解集合中的整數僅有1,2,3三數,則p值的範圍為?
解 |3x − p| < 4 − 4 < 3x − p < 4 4 4
3 3
p p
x , 又不等式的整數解為1,2,3
所以
3 4 4
3
0 4 1
3 p
p
9 4 12 3
p
0 4 p
5 p 8
4 p 7
5 < p < 7﹒
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隨堂練習.滿足不等式 | 2 5 | 8的整數x有____________個。
| 1| 3 x x
解 (I)|2x − 5| ≤ 8 − 8 ≤ 2x − 5 ≤ 8 − 3 ≤ 2x ≤ 13 3 1
2 x 23
。 (II)|x − 1| ≥ 3 x − 1 ≥ 3或x − 1 ≤ − 3 x ≥ 4或x ≤ − 2。
所以由(I),(II)知 13
4 x 2 ,故整數x = 4,5,6共3個。
4.設a,b,xR,若 | ax 1 | b之解為 2 x 5,求a,b之值。
解 | ax 1 | b 2 x 5
2 2 3 x
2 3 5
2 3
2 7 x
2 3
2 7
| x 2 3 |
2 7
| 3
2 | | x 2 3 |
3
2.
2
7 |
3
2x 1 | 3 7
∴ a 3 2,b
3 7﹒
隨堂練習.設a﹐b皆為實數﹐若|ax 2| b的解為x 5或x 3﹐則a b ____________﹒
解 x 5或x 3 x 1 4或x 1 4
|x 1| 4 | 2x 2| 8﹐
∴a 2﹐b 8﹐a b 6﹒
5.有兩家無線電計程車行﹐甲家是車資一律8折收費﹐乙家是超過100元的車資7折計費﹐
即滿100元時﹐收費為1000.7 |x100 |﹒若兩家的收費相同時﹐原始的車資為多少元?
解 設原始的車資為x元,依題意:0.8x100 0.7 | x100 |,得x300(元)﹒
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隨堂練習.如圖所示﹐數線上有A﹐B﹐C﹐
D﹐E﹐F六個公車站牌;已知其中有一路 段標線為紅色警示﹐此紅色路段在B站4 公里的範圍內﹐且在E站2.4公里的範圍 內﹐試問此路段在哪兩公車站牌之間?其 長度最長又是多少公里?
解 C﹐D之間﹐0.4公里﹒設紅色警示路段的左端點為a﹐右端點為b﹐
則| a 1.5| 4,| b 1.5| 4﹐
且| a 4.5| 2.4,| b 4.5| 2.4﹒
由此可解得2.1 a 2.5且2.1 b 2.5﹒
由a < b可知﹐紅色警示的最大範圍a x b為a = 2.1﹐b = 2.5;
即紅色警示路段在公車站牌C﹐D之間﹐其長度最長是0.4公里﹒
6.在一筆直公路上有A﹐B兩村分別位於此公路的8公里與13公里處﹐有一路段標示紅色警
戒﹐此紅色警戒路段在距離A村4公里的範圍內﹐且在距離B村3.2公里的範圍內﹐則﹕(1) 此紅色警戒路段標示在此公路的幾公里處﹖ (2)此紅色警戒路段共長多少公里﹖
解 設在公路的x公里處為紅色警戒路段
(1) ﹒
(2)∴12 9.8 2.2(公里)﹒
| 8 | 4 4 12
9.8 12
| 13 | 3.2 9.8 16.2
x x
x x x
隨堂練習.郊區一筆直的路段設有水廠A與電廠B各一座﹐其坐標
如圖所示A( 2)﹐B(4)﹐為了回饋沿路居民﹐水電的基本費計算方式
為﹕「住戶到電廠距離的2倍加上該住戶到水廠的距離和為該用戶 的水電基本費﹒」試求該路段基本費不超過21元的區域範圍﹒
(今設路段住戶P坐標x﹐即求x範圍)
解 依題意可設|x 2| 2|x 4| 21﹐
x 4﹕x 2 2x 8 21 4 x 9﹒
2 x 4﹕x 2 2x 8 21 2 x 4﹒
x 2﹕ x 2 2x 8 21 5 x 2﹒
故 5 x 9﹒