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二次不等式の解に整数がいくつ入るか(入試で問われる数え上げ)

二次不等式を解いて範囲が出たら、あとは数直線に整数を並べて数えるだけです。ここで差がつくのは、端点が整数かどうかと、等号が付いているかどうかの 2 点。

より で、整数は の 2 個です。等号つきの なら になり、 が加わって 4 個に増えます。

記号ひとつで答えが倍になる。数え上げの問題では、解いたあとの読み方が本番です。

canvas: 式は呼び出しにそのまま書いてください。この引数は焼けません -> drawMath(… label …)

上が等号なし、下が等号つきです。橙の点が数える対象で、白丸は範囲から外れた端点。

帯の長さは同じでも、両端に整数が乗っているかどうかで個数が変わります。端点が整数のときだけ、この差が出ます。

端点が整数でなければ等号は効かない

を解きます。因数分解できないので解の公式を使います。

なので、範囲はおよそ です。含まれる整数は の 4 個。

この不等式が だったとしても、答えは同じ 4 個です。端点の が整数ではないので、含めても含めなくても整数の集合は動きません。

等号の有無が個数に効くのは、端点そのものが整数のときだけです。

無理数や整数でない有理数が端点なら、そこに数えるべき点は乗っていない。

端点が整数かどうかを最初に見れば、等号の扱いで悩む時間が省けます。

個数を数える 2 つのやり方

範囲が狭ければ書き出してしまうほうが確実です。 なら と並べれば終わります。

範囲が広いときは、両端から数えます。範囲に入る最小の整数を 、最大の整数を とすると、個数は 個。

なら 個です。 なら 個。

より大きくなったら、その範囲に整数はありません。 なら で個数は 個です。

で 4 個
で 4 個
で 2 個
で 0 個

を落として と書く誤りが多い形です。 から までは 個ではなく 4 個、と両端を指で数えれば防げます。

例:解の公式から数える

を解きます。 なので、解は次のとおりです。

なので、範囲はおよそ です。含まれる整数は の 5 個。

近似値は数えるためだけに使います。答えとして範囲を書くときは のまま残します。

平方根の見積もりを誤ると個数がずれます。 の間、と押さえておけば の幅で判断でき、整数の集合は変わりません。

例:範囲が 2 つに分かれるとき

の解は または で、どちらも無限に伸びます。整数は無数にある。

範囲を限る条件が付くと数え上げになります。 かつ を満たす整数を数えます。

2 つの区間に分けて考えます。

に入る整数は の 3 個
に入る整数は の 4 個
合わせて 7 個

区間が離れているときは、それぞれで数えて足します。重なりがないので、引き算は要りません。

負の側では の大小をとり違えやすいところです。数直線を左から右へ書き、 の右隣が であることを目で確かめます。

定数が入ると区間が伸び縮みする

ここからが本題です。定数を含む不等式では、定数の値によって区間の端が動き、含まれる整数の個数が変わります。

の下で考えます。解は で、右端だけが とともに動く。

canvas: 式は呼び出しにそのまま書いてください。この引数は焼けません -> drawMath(… labelB …)

右端が右へ動くにつれて、橙の点が 2 個、3 個、4 個と増えていきます。増えるのは端が整数をまたいだ瞬間だけ。

を越えた瞬間に が入り、 を越えた瞬間に が入ります。個数は連続には変わらず、整数の位置で飛びます。

ちょうど 3 個になる の範囲

に整数がちょうど 3 個入る条件を求めます。 より大きい整数は から順に並ぶので、入るべきは です。

が入るには が要ります。 が入ってはいけないので

を確かめます。範囲は で、 は端点なので含まれません。整数は の 3 個で条件を満たします。

も確かめます。範囲は で整数は の 2 個。足りないので範囲から外れており、 という厳しい不等号が正しい。

境目の 2 つの値を必ず試す。これで等号の付け方はその場で決まります。

等号の向きは端点の含み方で決まる

さきほどの に等号が付いたのは、右端が開いていたからです。 なので は範囲に入らず、 ちょうどでも は数えられません。

もし解が だったら話が変わります。 のとき が数に入ってしまうので、条件は になる。

解が のとき

でも は含まれない。ちょうど 3 個の条件は です。

解が のとき

なら が含まれてしまう。ちょうど 3 個の条件は になります。

不等号の開き閉じが、そのまま定数の範囲の開き閉じに移ります。もとの不等式に があるかどうかを、最後にもう一度見ます。

例:区間の幅が固定されている場合

を解きます。左辺は と変形できます。

なので です。幅が の閉区間が、 とともに平行移動する形になります。

が整数なら、 の 3 個が入ります。両端がちょうど整数に乗るためです。

が整数でなければ 2 個です。幅 の区間の中に整数は 2 個しか置けず、端にも乗りません。

のとき、 を満たす整数は何個ですか。

  • 1 個
  • 2 個
  • 3 個
  • 4 個
__RESULT__

左辺は なので です。含まれる整数は の 2 個。 が整数でないと、幅 の閉区間には 2 個しか入りません。

例:両端が同時に動く場合

を満たす整数がちょうど 5 個になる の範囲を求めます。

左辺を平方完成すると です。 のとき解は次のようになります。

を中心に、左右へ同じ幅だけ広がる区間です。 とおくと、範囲は

を中心に整数を並べると の順に入ります。ちょうど 5 個なら から までです。

が入るには が入らないためには 。したがって です。

なら で範囲は 、整数は 5 個です。 なら で範囲は 、整数は 7 個に増えます。だから は範囲に入りません。

対称な区間では個数が 2 個ずつ飛びます。5 個の次は 7 個で、6 個になる はありません。

個数が飛ぶ場所を先に押さえる

定数を含む問題では、個数が変わる瞬間の値をまず書き出すと見通しが立ちます。区間の端が整数に乗る値が、その候補です。

なら が候補。 なら が候補になります。

候補と候補の間では個数が動きません。だから範囲を答えるときは、隣り合う 2 つの候補ではさむ形になります。

不等式を解いて区間の形を書く

端が整数に乗る定数の値を並べる

必要な個数になる隣り合う 2 値ではさむ

両端の値を代入して等号を確かめる

よくある誤り

を落とす。 から までは 4 個で、 個ではありません
端点が整数でないのに等号を気にする。個数が動くのは端点が整数のときだけです
無理数の端点を大まかに丸めすぎる。 と見ると になり、 が数から落ちます
負の数の並びを逆に数える。 の右隣は で、 ではありません
定数の範囲で等号の向きをとり違える。境目の 2 値を代入すればその場で決まります
個数が連続に変わると思う。端が整数をまたぐ瞬間にだけ飛びます
対称な区間で偶数個を探す。中心から左右対称に増えるので、個数は 1, 3, 5, 7 と奇数で並びます
分かれた 2 区間で重なりを引く。離れているので、そのまま足すだけです

参考文献

Quadratic function
Absolute value
Solve Quadratic Inequalities, Mathematics LibreTexts
Quadratic Inequalities, Third Space Learning
Fonction du second degré
Diskriminante
一元二次方程
不等式を解いた先に、数直線へ整数を並べて数える作業が残ります。効いてくるのは端点が整数かどうかと等号の有無で、$1 < x < 4$ が 2 個、$1 \leq x \leq 4$ なら 4 個。端点が無理数なら等号は個数を動かしません。定数が入ると区間の端が動き、整数をまたいだ瞬間だけ個数が飛びます。ちょうど 3 個や 5 個になる定数の範囲を、境目の値を代入しながら詰めていく。