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    たむかい学習教室
  • 2 日前
  • 読了時間: 10分

2次不等式 2次方程式

たむかい学習教室 個別指導 塾 数学 八戸市 中学生 高校生

当塾では「夏期講習」を実施しており、多くの塾生が受講しています。

高校数学では1学期に2次不等式2次方程式の学習がありました。特に文字定数を含む式では、放物線や数直線による作図で具体的にイメージできるようにします。


問題

aは正の定数とし、集合Pを次のように定める。

P={x|x²-(a-1)x-a≦0、xは整数}

1)a=4のとき、集合Pの要素をすべて求めよ。

2)集合Pの要素の個数が5個であるようなaの値の範囲を求めよ。


1)

x²-(4-1)x-4≦0

x²-3x-4≦0

(x-4)(x+1)≦0

-1≦x≦4

よって、

P={-1,0,1,2,3,4}


2)

x²-(a-1)x-a≦0より

(x-a)(x+1)≦0

aは正の定数だから

-1≦x≦a ①

xは整数だから

-1,0,1,2,3の場合である

これを満たす実数aは

①に3が含まれ4が含まれないから

3≦a<4


たむかい学習教室 個別指導 塾 数学 八戸市 中学生 高校生

問題

方程式3x²+2xy+3y²=8を満たす実数x、yに対して、u=x+y、v=xyとおく。

1)u²-4v≧0を示せ。

2)u、vの間に成り立つ等式を求めよ。

3)k=u+vがとる値の範囲を求めよ。


1)

u²-4v

=(x+y)²-4xy

=x²+2xy+y²-4xy

=x²-2xy+y²

=(x-y)²

x、yは実数だから

(x-y)²≧0は常に成り立つ

よって、

u²-4v≧0


2)

3x²+2xy+3y²=8 より

3x²+3y²+2xy=8

3(x²+y²)+2xy=8

3{(x+y)²-2xy}+2xy=8

3(x+y)²-4xy=8

u=x+y、v=xyだから

3u²-4v=8


3)

3u²-4v=8より

4v=3u²-8

x、yは実数だから、1)よりu²-4v≧0が成り立つ

u²-4v≧0に代入して

u²-3u²+8≧0

-2u²+8≧0

-2(u²-4)≧0

(u+2)(u-2)≦0

-2≦u≦2

4v=3u²-8より

v=(3u²-8)/4

k=u+vに代入

k=u+{(3u²-8)/4}

=(3/4)u²+u-2

=(3/4)(u²+(4/3)u)-2

=(3/4)[{u+(2/3)}²-(4/9)]-2

=(3/4){u+(2/3)}²-(7/3)

放物線は下に凸、

軸u=-2/3、頂点(-2/3,-7/3)

-2≦u≦2だから

u=-2/3で、最小

u=2で、最大

u=-2/3のとき、k=-7/3

u=2のとき、k=3

よって、求める範囲は

-7/3≦k≦3


問題

1)不等式2x⁴-5x²+2>0を解け。

2)不等式(x²-4x+1)²-3(x²-4x+1)+2≦0を解け。


1)

x²=Aとおく(A≧0)

2A²-5A+2>0


2 -1 -1

 ×

1 -2 -4

     -5


(2A-1)(A-2)>0

(2x²-1)(x²-2)>0

x²<1/2、x²>2

x²<1/2より

-√2/2<x<√2/2

x²>2より

x<-√2、x>√2

よって、求める解は

x<-√2、-√2/2<x<√2/2、x>√2


2)

x²-4x+1=Aとおく

A²-3A+2≦0

(A-1)(A-2)≦0

1≦A≦2

1≦x²-4x+1≦2

x²-4x+1≧1 より

x²-4x≧0

x(x-4)≧0

x≦0、x≧4 ①

x²-4x+1≦2 より

x²-4x-1≦0

x²-4x-1=0とすると

x=2±√5

よって、

2-√5≦x≦2+√5 ②

したがって、①、②より

2-√5≦x≦0

4≦x≦2+√5


問題

f(x)=|x²-1|-xの-1≦x≦2における最大値と最小値を求めよ。


x²-1≧0

すなわち x≦-1、x≧1

-1≦x≦2より

x=-1または1≦x≦2のとき

f(x)=x²-1-x

=x²-x-1

={x-(1/2)}²-5/4

下に凸、軸x=1/2

1≦x≦2の左側に軸があるから

f(1)=-1のとき、最小

f(2)=1のとき、最大


x²-1<0

すなわち -1<x<1

-1≦x≦2より

-1<x<1のとき

f(x)=-(x²-1)-x

=-x²+1-x

=-x²-x+1

=-(x²+x)+1

=-[{x+(1/2)}²-(1/4)]+1

=-{x+(1/2)}²+5/4

上に凸、軸x=-1/2

-1<x<1の内側に軸がある

f(-1/2)=5/4のとき、最大

端点の-1と1は含まないから、最小値なし


よって、

1≦x≦2のとき

最大値1、最小値-1

-1<x<1のとき

最大値=5/4


したがって、

-1≦x≦2においては

x=-1/2で、最大値5/4

x=1で、最小値-1


問題

関数y=-x²+x+3|x-1|のグラフをCとする。原点を通る直線y=kxとCとの共有点がちょうど2個となるような正の実数kの値の範囲を求めよ。


y=-x²+x+3|x-1|

x-1<0

すなわち x<1のとき

y=-x²+x-3x+3

=-x²-2x+3

y=kxと共有点をもつから

-x²-2x+3=kx

-x²-(2+k)x+3=0

x²+(2+k)x-3=0

f(x)=x²+(2+k)x-3とする

f(0)=-3<0

f(1)=1+2+k-3=k

k>0だからf(1)>0

f(0)<0かつf(1)>0だから

放物線はx<0と0<x<1の範囲でそれぞれx軸と交わる

よって、

x<1ではkの値に関わらず、常に2個の共有点をもつ


x<1で、x軸との共有点は2個あるから

x-1≧0すなわちx≧1のときに、共有点は0個になる。

y=-x²+x+3x-3

=-x²+4x-3

y=kxと共有点をもつから

-x²+4x-3=kx

-x²+(4-k)x-3=0

x²-(4-k)x+3=0

g(x)=x²-(4-k)x+3とする

g(1)=1-4+k+3=k

k>0だから

x≧1のときにg(x)=0が解をもたないのは

・D<0

・D≧0かつ軸が1より小さい

D=(4-k)²-12

=16-8k+k²-12

=k²-8k+4<0

k²-8k+4=0とする

k=4±2√3

よって、

4-2√3<k<4+2√3 ①

k²-8k+4≧0

k≦4-2√3、k≧4+2√3 ②

g(x)=x²-(4-k)x+3

=[{x-(4-k)/2}²-{(4-k)/2}²]+3

(4-k)/2<1

4-k<2

k>2 ③

k>0、②、③より

k≧4+2√3 ④

①、④より

k>4-2√3


問題

a<b<cのとき、xに関する次の2次方程式は2つの実数解をもつことを示せ。また、その解をα、β(α<β)とするとき、α、βと定数a、b、cの大小関係を示せ。

1)

2(x-b)(x-c)-(x-a)²=0

2)

(x-a)(x-c)+(x-b)²=0


1)

f(x)=2(x-b)(x-c)-(x-a)²とする

xの2次の係数は2-1=1で正

放物線は下に凸


f(a)=2(a-b)(a-c)-(a-a)²

=2(a-b)(a-c)

a<bより、a-b<0

a<cより、a-c<0

よって、f(a)>0

f(b)=2(b-b)(b-c)-(b-a)²

=-(b-a)²

よって、f(b)<0

f(c)=2(c-b)(c-c)-(c-a)²

=-(c-a)²

よって、f(c)<0


f(a)>0かつf(b)<0より

放物線はa<x<bでx軸と1点で交わるから、a<x<bに小さい方の解がある

f(c)<0より

もう1点はx>cでx軸と交わるから、x>cに大きい方の解がある

よって、

a<α<b<c<β


2)

f(x)=(x-a)(x-c)+(x-b)²とする

xの2次の係数は1+1=2で正

放物線は下に凸


f(a)=(a-a)(a-c)+(a-b)²

=(a-b)²

よって、f(a)>0

f(b)=(b-a)(b-c)+(b-b)²

=(b-a)(b-c)

a<bより、b-a>0

b<cより、b-c<0

よって、f(b)<0

f(c)=(c-a)(c-c)+(c-b)²

=(c-b)²

よって、f(c)>0

f(a)>0かつf(b)<0だから

1)より、a<x<bに小さい方の解がある

f(b)<0かつf(c)>0だから

放物線はb<x<cでx軸と1点で交わるから、b<x<cに大さい方の解がある

よって、

a<α<b<β<c


問題

mは実数とする。xの2次方程式x²-(m+2)x+2m+4=0の-1≦x≦3の範囲にある実数解がただ1つであるとき、mの値の範囲を求めよ。


f(x)=x²-(m+2)x+2m+4とする


-1<x<3に解が1つ、その範囲外に解が1つの場合

定義域の端点のy座標が異符号

f(-1)×f(3)<0

f(-1)=1+m+2+2m+4

=3m+7

f(3)=9-3m-6+2m+4

=-m+7

(3m+7)(-m+7)<0

(3m+7)(m-7)>0

m<-7/3、m>7 ①


定義域の端点が解の場合

f(-1)=0のとき

3m+7=0より、m=-7/3

方程式に代入して

x²+(1/3)x-(2/3)=0

3x²+x-2=0


3 -2 -2

 ×

1  1  3

     +1


(3x-2)(x+1)=0

x=2/3、-1

2つの解が-1≦x≦3にあるため不適

f(3)=0のとき

-m+7=0より、m=7

方程式に代入して

x²-9x+18=0

(x-3)(x-6)=0

x=3、6

x=3のみが-1≦x≦3にあるため適する

よって、m=7 ②


重解が-1≦x≦3にある場合

方程式の判別式をDとする

x²-(m+2)x+2m+4=0

D=m²+4m+4-8m-16

=m²-4m-12

D=0より

(m-6)(m+2)=0

m=6、-2

解の公式から

方程式の重解はx=(m+2)/2

m=6のとき、x=4

m=-2のとき、x=0

x=0のみが-1≦x≦3にあるため適する

よって、m=-2 ③


①、②、③より

m<-7/3、m=-2、m≧7


問題

不等式-x²+(a+2)x+a-3<y<x²-(a-1)x-2・・・(*)を考える。ただし、x、y、aは実数とする。このとき、

「どんなxに対しても、それぞれ適当なyをとれば不等式(*)が成立する」ためのaの値の範囲を求めよ。また、

「適当なyをとれば、どんなxに対しても不等式(*)が成立する」ためのaの範囲を求めよ。〔早稲田大〕


f(x)=-x²+(a+2)x+a-3

g(x)=x²-(a-1)x-2


どんなxに対しても、それぞれ適当なyをとれば不等式(*)が成立する場合

f(x)<y<g(x)を満たすから

f(x)<g(x)

これより

g(x)-f(x)>0

x²-(a-1)x-2-{-x²+(a+2)x+a-3}>0

x²-ax+x-2+x²-ax-2x-a+3>0

2x²-2ax-x-a+1>0 ①

2x²-(2a+1)x-a+1>0

2x²-(2a+1)x-a+1=0とする

D=4a²+4a+1+8a-8

=4a²+12a-7


2  7  14

 ×

2 -1 -2

     +12


=(2a+7)(2a-1)

①の解がすべての実数であるためにはD<0

(2a+7)(2a-1)<0

よって、

-7/2<a<1/2


適当なyをとれば、どんなxに対しても不等式(*)が成立する場合

yの値がf(x)の最大値よりも大きい、かつyの値がg(x)の最小値よりも小さいから

f(x)の最大値<g(x)の最小値

f(x)=-x²+(a+2)x+a-3

=-{x²-(a+2)x}+a-3

=-[{x-(a+2)/2}²-{(a+2)²/4}]+a-3

=-{x-(a+2)/2}²+{(a+2)²/4}+a-3

上に凸だから

最大値は、{(a+2)²/4}+a-3

これより

(a²+4a+4+4a-12)/4

=(a²+8a-8)/4

g(x)=x²-(a-1)x-2

={x-(a-1)/2}²-{(a-1)²/4}-2

下に凸だから

最小値は、-{(a-1)²/4}-2

これより

(-a²+2a-9)/4

f(x)の最大値<g(x)の最小値だから

(a²+8a-8)/4<(-a²+2a-9)/4

a²+8a-8<-a²+2a-9

2a²+6a+1<0

2a²+6a+1=0とする

a=(-3±√7)/2

よって、

(-3-√7)/2<a<(-3+√7)/2


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