東大理系数学'07年前期[3]

座標平面上の2点P,Qが、曲線 ()上を自由に動くとき、線分PQを1:2に内分する点Rが動く範囲をDとする。ただし、のときはとする。
(1) aををみたす実数とするとき、点がDに属するためのbの条件をaを用いて表せ。
(2) Dを図示せよ。


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解答 (1) 2点P,Qの座標を,とします。問題文の指定より、,です。
PQを1:2に内分する点Rの座標は、です。
より、,とおくことができます。つまり、
, ・・・�@

�@より、qを消去すると、より、
整理すると、
∴  ・・・�A
となり、
pに関する2次方程式が得られます。

一方、�@より、pを消去すると、より、
整理すると、
∴  ・・・�B
となり、
qについても2次方程式が得られます。

このタイプの問題では、�Aと�Bが同じ形の2次方程式で、2次方程式の2解がp,qなのだ、という問題が多いのですが、この問題では、内分比がPとQに関して対称にできていないので、pに関する2次方程式�Aと、qに関する2次方程式�Bの形が食い違ってしまいます。
ここが、この問題の考えにくいところです。

2つの2次方程式の意味を考えてみます。点Rを通過する直線と曲線との交点を考えます。2交点できたとして、Rは2交点を結ぶ線分を1:2に内分する点です。2交点のうちRに近い方の点をP,遠い方の点をQとして、�Aは点Pのx座標を求める2次方程式、�Bは点Qのx座標を求める2次方程式になっています。
特別な場合として、
Rが曲線上に来る場合は、と考えよう、と、問題文は言っているわけです。

を通過する直線とは共有点をもちます。少なくとも、�A,�Bは実数解を持たなくてはいけないので、判別式はともに0以上です(2次方程式の一般論を参照)。
�Aの判別式:
∴

�Bの判別式:
∴

どちらも同じ結果となりましたが、この不等式は、P,Qを曲線上の点とするとき、PQを1:2に内分する点が、この曲線から上側になければならないことを意味しています。

,より、

,,

以上より、点Rは右図1の黄緑色の範囲内のどこかに存在します(従って、領域Dは黄緑色の範囲に含まれるはずです)。

以下、右図
2〜4では、P,Qのy座標について、となる場合を書いてありますが、となる場合もあり得ることに注意してください。

点
Rを通過する直線と曲線との2交点の、片方は点Rからy座標の小さい側、もう片方は大きい側にできることに注意してください(直線がx軸に平行な場合は、2交点のy座標はRのy座標bに一致します)。
(i) まず、右図2のような状況を考えると、点Rを通過する直線と曲線との交点をP,Qとして、RがPQを1:2に内分する場合が2通りあり、そのいずれも、P,Qは曲線のの部分に来ます。この状況を(A)とします。
(ii) 右図3のような状況を考えると、RがPQを1:2に内分し、P,Qとも曲線のの部分に来る場合は1通りです。このとき、Pのx座標pについて、を満たすものが2通り、Qのx座標qについて、を満たすものが1通りであることに注意してください。この状況を(B)とします。
ただし、この場合、P,Qのどちらかのy座標はRのy座標以下なので、Pの座標pについて、を満たすものが1通り、Qの座標qについて、を満たすものも1通り、ということは起こりえないことにも注意してください。
(iii) 右図4のような状況を考えると、RがPQを1:2に内分し、P,Qとも曲線のの部分に入っている場合はありません。ですが、この場合にも、Pのx座標pについて、を満たすものが2通りあるのです。ですが、どちらの場合も、Qのx座標qについて、が満たされないことに注意してください。

何が言いたいかと言うと、だからと言って、2次方程式�Aがの範囲に実数解を持っていても、P,Qがともに曲線のの部分にくるとは限らないのです。
これが、この問題のポイントです。単なる「2次方程式の解の配置」の問題ではありません。

問題文の指定に適するのは、上記の状況(A)と状況(B)の場合です。

状況(A)においては、2次方程式�A,�Bともに、の範囲に2個の実数解を持ちます。
状況(B)においては、2次方程式は、の範囲に、�A,�Bのうち、一方が2個の実数解をもち、他方が1個の実数解を持ちます(とは限らないので、�Bが2個の実数解をもつ場合も検討する必要があります)。�A,�Bがともに1個の実数解をもつ、ということはありません。
点
Rが曲線上に来るときも含めるので、「2個の実数解」の場合には重解の場合を含みます。

既に見たように、�A,�Bとも、実数解を持つ条件は、 ・・・�C
以下、この条件下で考えます。

pの2次方程式�Aが、の範囲に2実数解を持つのは、として、,かつ、,かつ、,よって、(2次方程式の解の配置を参照)
より、
∴
∴
以上合わせて、 かつ かつ  ・・・�D

pの2次方程式�Aが、の範囲に1実数解を持つとき、,よって、(中間値の定理を参照)
∴  ・・・�E

qの2次方程式�Bが、の範囲に2実数解をもつのは、として、,かつ、,かつ、,よって、
より、
∴
∴
以上合わせて、 かつ かつ  ・・・�F

qの2次方程式�Bが、の範囲に1実数解を持つとき、,よって、
∴  ・・・�G

状況(A)は、�Cかつ�Dかつ�F
状況
(B)は、“�Cかつ�Dかつ�G”,または、“�Cかつ�Eかつ�F”
ここで、“�Cかつ�Eかつ�F”を満たすのは、,のみで、“�Cかつ�Dかつ�F”の場合に含まれます。

よって、求める条件は、�Cかつ�Dかつ“�Fまたは�G”

Dを図示したときの境界線は、
 ・・・(a)
 ・・・(b)
 ・・・(c)
 ・・・(d)
 ・・・(e)
2式ずつ選んで連立して解くと(だけ考えればOKです)、
(a),(b),(d)が、において接していること、
(a),(c),(e)が、において接していること、
(b),(c)が、で交わっていること、
(d),(e)が、で交わっていること、
(b),(e)が、で交わっていること、
(c),(d)が、で交わっていること
がわかります。

これより、求める条件は、
のとき、
のとき、
のとき、
のとき、 
......[答]

(2) 領域Dを図示すると、右図の黄緑色部分(境界線を含む)。



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