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二次不等式の解が別の解に「含まれる」条件を求める

次の問題を解きます。

の解が の解に含まれるような、実数 の範囲を求めよ。

つの不等式を別々に解くところまでは、いつもどおりです。難しいのは「含まれる」という条件を式に直すところ。

数直線に つの区間を描いて、片方がもう片方をすっぽり覆っているかを見ます。覆う側の区間が とともに伸び縮みするので、どこまで縮んでも覆えるかを詰める形になります。

それぞれを解く

つ目は因数分解できます。

この区間を と呼びます。 を含まないので、位置も長さも動きません。

つ目も分解します。定数項が 、 の係数が なので、足して 、掛けて になる 数は と です。

こちらを と呼びます。 解のうち片方が固定された 、もう片方が動く 。

の形は で変わる

の係数は で正なので、 の解は 解にはさまれた区間です。ただし、どちらが左かは しだい。

が より右にあれば区間は から まで、左にあれば から まで。 では区間がつぶれて 点になります。

の場合は覆えない

は です。左端の が入っているかを見ます。

のとき は から右へ伸びる区間で、 を含みません。 の左半分がはみ出すので、包含は成り立たない。

のとき は の 点だけ。 は幅のある区間なので、 点に収まるはずがありません。

この つは、計算せずに図だけで落とせます。 が より左へ届いていないことが決め手です。

の場合が本番

は です。右端は と共通の なので、比べるのは左端だけになります。

が に含まれるとは、 の左端 が の中にあるということ。 の左端は なので、 が 以下であればよい。

これが という前提とも矛盾しません。前提のほうが緩いので、そのまま答えになります。

上の黒い帯が 、下が です。 が左へ動くと が伸び、 を通り過ぎたところで緑に変わります。

が より右にあるあいだは、 の左の部分が からはみ出しています。 がちょうど に重なった瞬間から、 が の中に収まる。

端点の比較だけで決まる

区間が区間に含まれる条件は、端点どうしの比較で書けます。 となるのは、 かつ のとき。

今回は右端がどちらも でそろっているので、 は で自動的に成り立ちます。残るのは左端の 、つまり だけ。

端点が共通だと比較が 本で済みます。共通でない問題では 本とも書きます。

答え

の場合は成り立たず、 の場合に が出ました。合わせて次のようになります。

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(… labelA …)

は答えに入ります。このとき は となり、 とぴったり重なる。

同じ集合どうしでも「含まれる」は成り立ちます。はみ出していなければよいので、一致していても条件を満たす。

確かめる

を代入します。 つ目の不等式は で、 つ目と同じ式になりました。解も同じ です。

なら で、解は 。 の はこの中にすっかり入っています。

なら で、解は 。 の左半分がはみ出すので条件を満たしません。だから範囲から外れています。

なら解は 。 とは端の 点しか重なりません。

逆向きに問われたら

同じ 式で「 つ目の解が つ目の解に含まれる」と問われることもあります。今度は です。

なら で、 の右端 を越えてしまいます。 が要りますが前提と矛盾するのでなし。

なら は の 点で、 の中にあります。条件を満たす。

なら で、左端が の左端 より右にあればよい。 です。

包む側と包まれる側を入れ替えると、答えがまったく変わります。 と で、重なるのは の 点だけ。

が に含まれる

が を覆えるだけ広い必要があります。 を広げる向きへ を動かすので、答えは 。

が に含まれる

が からはみ出さない程度に狭い必要があります。答えは になります。

問題文の「〜の解が〜の解に含まれる」という語順を、そのまま数直線の上下に写す。読み違えると答えが逆の側へ飛びます。

集合と命題の言葉に直す

は、 が に入れば必ず にも入る、ということです。命題の言葉では次のようになります。

このとき「 は であるための十分条件」、逆に「 は であるための必要条件」と呼びます。

範囲が狭いほうが十分条件、広いほうが必要条件です。「狭いほうから広いほうへ矢印が向く」と覚えると、包含の向きと結びつきます。

問題文が「 であるための十分条件となる の範囲」と書いてあれば、包含の問題に読み替えられます。逆に「必要条件」なら向きが反対になる。

類題

の解が の解に含まれる の範囲を求めよ。

つ目は です。 つ目は と変形できます。

幅が で固定された区間が、 とともに平行移動する形です。今度は端点が共通ではないので、比較を 本書きます。

左から 、右から 。合わせて です。

なら で を覆います。 なら でこちらも覆う。 なら で、 の左端 がはみ出します。

幅が固定されているので、動かせる範囲は の幅と の幅の差で決まります。 の余裕があり、それが答えの幅 になっている。

が に含まれるような の範囲はどれですか。

__RESULT__

左端は 、右端は より です。合わせて 。幅の差が なので、答えの幅も になります。

よくある誤り

包む側と包まれる側を読み違える。答えが反対の側へ飛びます
端点の比較を 本しか書かない。端が共通でなければ左右とも要ります
解の大小で場合分けせずに区間を書く。 と のどちらが左かは決まっていません
で解が 点になる場合を飛ばす。区間がつぶれる値は必ず調べます
一致する場合を除いてしまう。同じ集合でも「含まれる」は成り立ちます
場合分けの前提と結果を重ねない。 の中で出た答えだけが有効です
必要条件と十分条件を逆にする。範囲が狭いほうが十分条件です
共通部分を求める問題と混同する。覆えているかどうかを見ます

参考文献

Quadratic function
Quadratic equation
Solve Quadratic Inequalities, Mathematics LibreTexts
Quadratic Inequalities, Third Space Learning
Absolute value
Fonction du second degré
$x^2 - 3x + 2 \leq 0$ の解が $x^2 - (a+2)x + 2a \leq 0$ の解に入る $a$ を求めます。覆う側の区間は $2$ 解が $2$ と $a$ で、どちらが左になるかが $a$ しだい。$a \geq 2$ の場合は図だけで落とせて、残るのは端点の比較 $1$ 本です。答えは $a \leq 1$。包む側と包まれる側を入れ替えると $1 \leq a \leq 2$ になり、重なるのは $1$ 点だけ。必要条件と十分条件の言い換えまで。