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すべての実数で成り立つ二次不等式 - 係数と判別式の条件

がすべての実数 で成り立つ」は、放物線が 軸より上にいたままだという意味です。

この一文を式に直すと、条件が 2 本になる。

上を向いていること。 軸に触れないこと。どちらが欠けても、上にいたままにはなりません。

2 本はそれぞれ別の仕事をしている

は放物線の開く向きを決める。上向きなら、両端が上へ伸びます。

軸と交わらないことを決める。交点があると、そこを境に符号が変わってしまいます。

片方だけでは足りません。 でも なら 軸を切って一部が下へ沈み、 でも ならまるごと下に沈みます。

4 つの形を並べる

不等号が変われば、 の符号と の条件が入れ替わる。

条件
つねに
つねに
つねに
つねに

等号がつくと が許されます。接するだけなら値が になるところが 1 点あるだけで、 は満たされる。

のほうは を許さないため、接することもできません。等号ひとつで、 の側の等号が動きます。

例:定数の範囲を求める

がすべての実数で成り立つ を求めます。

の係数は で、 はすでに満たされている。残るのは のほう。

はおよそ なら となり、たしかに交わらない。

で試すと で、 のあいだが負になります。範囲の外に出ると条件が崩れました。

例:二次の係数に文字が入る場合

がすべての実数で成り立つ を求めます。

の係数が なので、 かどうかで話が分かれる。二次式でなくなる場合を先に見ておきます。

を入れると で、 が消えていつでも成り立ちます。この場合は答えに入る。

なら二次式で、条件は 2 本。

から とあわせても のまま。

の場合と合わせて、答えは になります。

を見落とすと、答えが になって 点ぶん狭くなります。二次の係数に文字があるときは、そこが になる場合を先に別立てにしておく。

がすべての実数で成り立つ の範囲はどれですか。

  • または
__RESULT__

つねに負なので かつ です。 から または とあわせて だけが残ります。 のときは となり、 で崩れる。

例:2 つのグラフの上下として読む

のグラフが より上にある」も、同じ形に持ちこめます。

差を作って移項するだけ。

これがすべての実数で成り立つ条件を書く。 の係数は で正だから、残るのは判別式です。

答えは なら でつねに正、 なら となって になり、 が崩れます。

検算は 1 点の代入で足りる

条件から を 1 つ選んで、もとの不等式に入れる。すべての実数で成り立つはずなので、どの を試しても崩れません。

という答えなら、 をとって でも でも成り立ちます。

範囲の外からも 1 つ選びます。 なら で、 を入れると 。崩れました。

範囲の内で成り立ち、外で崩れる。この 2 点を見れば、境目の位置まで確かめられます。

がすべての実数で成り立つ の範囲はどれですか。

__RESULT__

はすでに満たされていて、残るのは です。 から 。等号つきの では接してもよいため、 にあたる も答えに入ります。

条件は の符号と の符号の 2 本。 の係数に文字があれば、そこが になる場合を独立して立てる。この 3 か所を押さえれば、あとは判別式の計算になります。

「$ax^2+bx+c>0$ がすべての実数で成り立つ」は、放物線が $x$ 軸より上にいたままという意味。式にすると $a > 0$ かつ $D < 0$ の 2 本になります。$a>0$ が開く向きを、$D<0$ が交わらないことを引き受けていて、片方だけでは $x$ 軸を切る形やまるごと沈む形が混じる。等号がつくと $D \leq 0$ に緩み、接することが許されます。$kx^2+2kx+3>0$ のように $x^2$ の係数に文字があるときは、$k=0$ で二次式でなくなる場合を別に立てて $0 \leq k < 3$。2 つのグラフの上下として読む形まで。