領域を図示するテクニック【絶対値つき不等式】

「絶対値を含む不等式」で表された領域の図示について解説します。

有名問題2問を使って,基本的な考え方と3つのテクニックを紹介します。

例題と基本方針

基本方針

絶対値を含む不等式で表された領域は,絶対値の中身の正負で場合分けすることで,確実に図示できます。

例題1

∣x+y∣≤1|x+y|\leq 1 が表す領域を図示せよ。

解答

絶対値の中身である x+yx+y の正負で場合分けする。

  • x+y≥0x+y\geq 0 の場合,つまり y≥−xy\geq -x の場合,
    与えられた不等式は x+y≤1x+y\leq 1,つまり y=−x+1y=-x+1 の下側
  • x+y<0x+y<0 の場合,つまり y<−xy<-x の場合,
    与えられた不等式は −(x+y)≤1-(x+y)\leq 1,つまり y=−x−1y=-x-1 の上側

以上より,求める領域は図のグレー部分(境界含む)。 例題1の解答

例題2

∣x∣+∣y∣≤1|x|+|y|\leq 1 が表す領域を図示せよ。

解答

絶対値の中身である xx と yy の正負で場合分けする。

  • x≥0x\geq 0 かつ y≥0y\geq 0 の場合
    x+y≤1x+y\leq 1,つまり y=−x+1y=-x+1 の下側
  • x≥0x\geq 0 かつ y<0y< 0 の場合
    x+(−y)≤1x+(-y)\leq 1,つまり y=x−1y=x-1 の上側
  • x<0x< 0 かつ y≥0y\geq 0 の場合
    (−x)+y≤1(-x)+y\leq 1,つまり y=x+1y=x+1 の下側
  • x<0x< 0 かつ y<0y< 0 の場合
    (−x)+(−y)≤1(-x)+(-y)\leq 1,つまり y=−x−1y=-x-1 の上側

以上より,求める領域は図のグレー部分(境界含む)。 例題2の解答

このように確実に解けますが,場合分けがめんどうです。そこで,場合分けをせずにすばやく解くテクニックを紹介します。

テクニック1:2つの不等式に分解

∣X∣≤a  ⟺  −a≤X≤a|X|\leq a\iff -a\leq X\leq a

という変形を意識すると楽に解ける場合があります。

例題1の別解

∣x+y∣≤1|x+y|\leq 1
  ⟺  −1≤x+y≤1\iff -1\leq x+y\leq 1
  ⟺  −x−1≤y≤−x+1\iff -x-1\leq y\leq -x+1

より,求める領域は図のグレー部分(境界含む)。 例題1の解答

テクニック2:対称性に着目

対称性に着目するとうまくいくことが多いです。例えば,「(x,y)(x,y) が不等式を満たす   ⟺  (−x,y)\iff(-x,y) が不等式を満たす」が言えれば,求める領域は yy 軸に関して対称です。

以上をふまえて,例題2の別解です。

例題2の別解

∣x∣+∣y∣≤1|x|+|y|\leq 1 という不等式が成立するか否かは,x→−xx\to -x としても y→−yy\to -y としても変わらない。よって,図示したい領域は xx 軸に関しても yy 軸に関しても対称である。よって,x≥0,y≥0x\geq 0,y\geq 0 の範囲で領域がわかれば十分。

この範囲では,x+y≤1x+y\leq 1,つまり y=−x+1y=-x+1 の下側(図の①部分)。 例題2の別解

テクニック3:領域の形を覚えておく

1次式の絶対値

覚えておくとよいこと1

∣ax+by+c∣≤d|ax+by+c|\leq d が表す領域は「帯」

上の不等式は,∣ax+by+c∣a2+b2≤da2+b2\dfrac{|ax+by+c|}{\sqrt{a^2+b^2}}\leq \dfrac{d}{\sqrt{a^2+b^2}} と変形できます。点と直線の距離公式を使うと,この条件は直線 ax+by+c=0ax+by+c=0 からの距離が一定以下と言い換えられます。つまり,帯のような領域になります。

例題1の別解

∣x+y∣≤1|x+y|\leq 1 は,∣x+y∣2≤12\dfrac{|x+y|}{\sqrt{2}}\leq\dfrac{1}{\sqrt{2}}

と変形できる。よって,直線 y=−xy=-x からの距離が 12\dfrac{1}{\sqrt{2}} 以下の領域を図示すればよい。 例題2の別解

1次式の絶対値の和

覚えておくとよいこと2

∣a1x+b1y+c1∣+∣a2x+b2y+c2∣≤d|a_1x+b_1y+c_1|+|a_2x+b_2y+c_2|\leq d

が表す領域は平行四辺形。具体的には,以下の手順で領域を図示できる。

  1. 直線 aix+biy+ci=0a_ix+b_iy+c_i=0 を書く
  2. その直線上での限界点を求める
  3. 求めた点を線分で結ぶ

具体的な手順は例題を見ながら理解してください。

例題2の別解

∣x∣+∣y∣≤1|x|+|y|\leq 1 について,

  1. 直線 x=0x=0 と y=0y=0 を書く
  2. 直線上での限界点をそれぞれ求める
    x=0x=0 上では,条件は ∣y∣≤1|y|\leq 1 なので限界点は (0,−1)(0,-1) と (0,1)(0,1)
    y=0y=0 上では,条件は ∣x∣≤1|x|\leq 1 なので限界点は (−1,0)(-1,0) と (1,0)(1,0)
  3. 以上4つの頂点を線分で結ぶと領域が図示できる

例題2の別解

∣x+2y+3∣+∣−2x+3y+1∣≤2|x+2y+3|+|-2x+3y+1|\leq 2
など複雑なものも同じように図示できます。さらに,この手順1~3は直線の数(1次式の数)が増えてもすべての直線が1点で交わるなら使えます。

例題3

∣y∣+∣x+y∣+∣x−y∣≤6|y|+|x+y|+|x-y|\leq 6 が表す領域を図示せよ。

例題3の別解
  1. 考える直線は,y=0y=0 と x+y=0x+y=0 と x−y=0x-y=0 であり,これらはすべて原点を通る。
  2. 限界点をそれぞれ求める。
    y=0y=0 上では条件は 2∣x∣≤62|x|\leq 6 なので (±3,0)(\pm3,0)
    y=xy=x 上では条件は ∣x∣+∣2x∣≤6|x|+|2x|\leq 6 なので (±2,±2)(\pm2,\pm2)(複号同順)
    y=−xy=-x 上でも同様に (±2,∓2)(\pm2,\mp2)(複号同順)
  3. この6点を結ぶ六角形の内側(境界含む)が求める領域。

例題3の解答

手順1~3が正しいことは以下の事実からわかります:
直線をまたがない範囲では絶対値の中身の符号は一定なので,絶対値が外せて全体で1つの一次不等式になる。

高校時代の恩師のy先生に最近教えていただいたネタにインスパイアされた記事です!