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2 文字の二次不等式は判別式を 2 回使う|高校数学の難問

次の問題を解きます。

すべての実数 、 に対して が成り立つような、実数 の値を求めよ。

文字が と の つあります。判別式は 文字の二次式に対する道具なので、そのままでは当てられません。

やり方は、片方を定数だと思って整理すること。 の二次式と見れば判別式が使えます。ただし出てくる条件に が残るので、そこでもう一度使う。判別式を 回重ねる形になります。

片方の文字について整理する

について整理します。 は定数だと思って、 の次数ごとにまとめる。

の係数は で正です。この二次式がすべての で 以上になる条件は、判別式が 以下であること。

展開して整理します。

条件は です。 が消えて、 だけの不等式が残りました。

を つ決めるごとに、 の放物線が 本決まります。それを とともに動かした様子です。

緑が 、橙が 。緑はどの でも 軸に届かないか、触れるだけです。橙は が と のあいだにいるとき、 軸を割って下へ潜ります。

割ったところに、条件を満たさない が現れます。 が答えでないのは、この一瞬があるためです。

2 段目: についての判別式

残った条件を書き直します。両辺に を掛けると向きが変わります。

これがすべての実数 で成り立つ条件を書きます。 の係数は で正なので、判別式が 以下。

平方は 以上なので、 以下になるのは のときだけです。

答えが範囲ではなく 点に決まりました。判別式の条件が 段目で に絞られたためです。

段目で出た を、 を変えて描いたものです。この式が 軸の上側へ出てはいけません。

左の では となり、原点で触れるだけで上へは出ません。右の では山が 軸の上へ突き出しています。

突き出した部分の を選ぶと、 段目の条件が破れます。 が からずれると、必ずこの突き出しが生まれる。

平方の和に直して確かめる

を代入して、もとの式を変形します。

と と の組み合わせで平方が作れないか探します。 を展開してみます。

もとの式から引くと が残ります。つまり次のように書けます。

平方の和なので、いつでも 以上。判別式を 回使って得た結論と一致しました。

この形が見つかると、証明が 行で済みます。ただし見つけるには試行が要るので、判別式を 回使う道のほうが確実です。

等号が成り立つ点

となるのは、 つの平方がどちらも のときだけです。

を 本目に入れて 。等号は の 点だけで成り立ちます。

同じ値をとる点を結ぶと、傾いた楕円が並びます。中心が で、外側の輪ほど値が大きい。

いちばん内側の輪が縮んで点になったところが最小値の場所です。そこで値が になり、それより小さくはなりません。

が からずれると、この受け皿が一方向へ傾いて底が抜けます。どこまでも小さい値をとれるようになり、条件が壊れる。

から始めても同じ答えになる

整理する文字を入れ替えても結論は変わりません。確かめてみます。

について整理します。

の係数は で正なので、判別式が 以下という条件になります。

これが 以下になる条件を、 の不等式として書きます。両辺に を掛けて向きを変えます。

すべての で成り立つ条件は判別式が 以下です。

となり、一致しました。どちらの文字から始めても同じところへ着きます。

係数が簡単なほうから始めると計算が軽くなります。今回は の係数が だったので、 から始めるほうが楽でした。

手順の全体

片方の文字について次数ごとに整理する

その文字の二次式として判別式を書き、 以下と置く

残ったもう片方の文字の不等式を、同じ手順で処理する

段目の判別式から定数を決める

段目と 段目で、係数の符号の確認を忘れないところが要です。 段目では を掛けて向きを変えるので、そこでも符号を見ます。

類題

すべての実数 、 に対して が成り立つ の範囲を求めよ。

について整理します。

段目の判別式を書きます。

を掛けて 。 の係数は で正なので、 段目の判別式を書きます。

より、答えは です。

さきほどは 点でしたが、今度は範囲になりました。 段目の不等式の定数項が でないと、こうして幅が出ます。

なので、およそ 。 を入れると となり、確かに成り立ちます。

すべての実数 、 に対して が成り立つ の範囲はどれですか。

__RESULT__

について整理して です。 を掛けた の判別式が で、 以下から 。定数項が残ったので、答えは 点ではなく幅のある範囲になります。

よくある誤り

文字のまま判別式を当てる。判別式は 文字の二次式に対する道具です
整理したあと、その文字の 乗の係数の符号を確かめない。正でなければ条件の向きが変わります
段目で を と書く。等号つきの不等式なら、接する場合も許されます
段目で を掛けたときに不等号を戻し忘れる。向きは必ず変わります
段目の判別式が定数になると思う。もう片方の文字が残ります
平方の和の形を探すのに時間をかけすぎる。見つからないときは判別式を 回使います
答えが範囲になるか 点になるかを決めつける。 段目の式しだいで両方あります
整理する文字を選び直さない。係数の簡単なほうから始めると計算が短くなります

参考文献

Definite quadratic form
Quadratic function
Quadratic equation
Diskriminante
Fonction du second degré
一元二次方程
$x$ と $y$ が混ざった式に判別式はそのまま当てられません。片方を定数と思って整理すれば $1$ 文字の二次式になり、判別式が使えます。ただし出てきた条件にもう片方の文字が残るので、そこでもう一度。$2$ 段目の判別式が $(2-a)^2 \leq 0$ となって、答えが範囲ではなく $1$ 点に絞られます。平方の和 $(x+y+1)^2 + y^2$ に直す確かめ方、整理する文字を入れ替えても同じ答えに着くことまで。