kakko_pn

数学の質問です。

写真の問題(100(2)100(2))に就いてです。実際にグラフを書いて見ておかしいことに気づいたのですが、二本の式からxxを消去してyyとaaだけの式にし、yyが実数解を持つaaの範囲を求めると答えと異なって居ました。なぜこの方法で楕円と放物線が共有点を持つaaの範囲を求められないのでしょうか?

回答宜しくお願い致します。

回答 3件

ベストアンサー

定義域や値域が限定されている関数などで実数解を考える時は、単に変数などを消してしまうと、その変数の定義域までも消えたりすることがあるので、2次方程式の判別式だけでは条件を満足できないことがあります。


今回の場合だと、yyに関して言えば、−2≦y≦2-\sqrt2≦y≦\sqrt2という条件が付加されていますので、それも加味してあげないと恐らく解けないと思いました。


もし変数を消去したいのなら、これは私個人の数学における感覚でもあるのですが、もっと厳しい状態にしてあげて、例えばyyを消去することで四次関数として解釈することで複雑で厳しい条件で、より確度の高い情報が得られるのではないのでしょうか。

(下図はその四次関数をプロットしてみたものです、xx軸で見ると共有点の数がしっかりと出ているように見えます)

補足

ちょっと感覚に頼ってしまったところがあったので、もし分からなかったらご連絡ください

  • kakko_pn

    回答ありがとうございます。


    成程!確かにそうですね!全然気付きませんでした!目から鱗です!


    因みに、この問題は解の配置問題として解くことも、ひたすらグラフを書いて共有点を持つaaの範囲を求めることも出来ると思いますが、どちらの方がお勧めとかはありますか?

  • 今回のような場合ですと、同じ二字曲線ともいえど両式の性質が見事に違うので変数を消去するやり方より、視覚的にグラフなどを使うという手法が安定かと感じますね。上記のような四次関数を完成させてもxx軸との共有点を見極めるのは難しいですからね...

    補足

    きっと、ポイント55にある通りにやるのが結局安牌ですかね

  • kakko_pn
    お礼

    皆さんどの回答も詳しく丁寧な回答だったのでBAが決め辛いですが、一番早く回答頂けたEnigmathematicsさんをBAにします!


    皆さんありがとうございました!

hogehoge

(複素数の範囲で解いた)方程式の解のyyの値が実数である, という条件しか求められていないからです. 方程式を解いてみると, まずxxを消去して式を整理すると2y2+4y−(4+a)=02y^2+4y-(4+a)=0ですから, 判別式をDDとしてこれを解くと

y=−2±D/42y=\frac{-2\pm\sqrt{D/4}}{2}

となります. 長いのでプラスの方をy0y_0, マイナスの方をy1y_1とします. 楕円の式に代入してxxについて解くと

x=±4−2y02(y=y0を代入)x=±4−2y12(y=y1を代入)x=\pm\sqrt{4-2{y_0}^2}\quad \text{(}y=y_0\text{を代入)}\\x=\pm\sqrt{4-2{y_1}^2}\quad \text{(}y=y_1\text{を代入)}

となります. したがって方程式の解は

(x,y)=(±4−2y02,y0),(±4−2y12,y1)(x,y)=(\pm\sqrt{4-2{y_0}^2},y_0),(\pm\sqrt{4-2{y_1}^2},y_1)

であることがわかります. (念のため, これらが解であることを確認したほうが安全かもしれません.) 二つの曲線が平面上で交わるというのは, この解の中に(実数,実数)(\text{実数},\text{実数})のパターンのものが(少なくとも一つ)存在することと同じです.


ここで判別式DDについて考えてみると, D<0D<0ならばy0,y1y_0,y_1がともに虚数になりますから, 曲線が平面上で共有点を持たないことがわかります. D≧0D\geqq 0の場合はy0,y1y_0,y_1がともに実数であることはわかります. しかしxxに対してはそれが実数であるか虚数であるかはわかりませんから, これだけで曲線が交わるかどうかというのは判定できません. 実際, a=12a=12とするとD≧0D\geqq 0は満たしますが, 解は

(x,y)=(±−28,−4),(±−4,2)(x,y) = (\pm\sqrt{-28}, -4),(\pm\sqrt{-4}, 2)

となり, 解は(虚数,実数)(\text{虚数},\text{実数})のパターンしか存在しませんから, 曲線は交わらないことがわかります.


交わるための条件を求めたい場合はこの判別式の条件に加えて, 解のxxの側のうちの少なくとも一方が実数である, すなわち

4−2y02≧0または4−2y12≧04-2{y_0}^2 \geqq 0 \quad\text{または}\quad 4-2{y_1}^2 \geqq 0

という条件を付ければ, これが(実数,実数)(\text{実数},\text{実数})であるような解が存在するための必要十分条件になります. そのようなaaの範囲を求めれば, 曲線が交わるためのaaの条件がわかるのではないかと思います.

  • kakko_pn

    回答ありがとうございます。


    成程!確かにそうですね!全然気付きませんでした!目から鱗です!


    因みに、この問題は解の配置問題として解くことも、ひたすらグラフを書いて共有点を持つaaの範囲を求めることも出来ると思いますが、どちらの方がお勧めとかはありますか?

  • hogehoge

    グラフを書いてあれこれするのは直感的にグラフの位置関係がわかってないと苦しいので、グラフの位置関係がわかっているなら図から読み取るのが簡単で良いですし、そうでないなら式からどうにかするしかないですかね。今回のだと楕円の上側で接する状態くらいは直感的にもわかりやすいですけど、下側と放物線の位置関係がわかりやすいかというと……どうなんでしょう、解答がどんなふうになってるのかわからないですけど、式を解くなりした結果からグラフの概形がわかった、みたいな場合だとグラフを書くこと自体には意味はないですよね。

  • kakko_pn

    自分で両方の解き方で解いて見たのですが、両者を組み合わせて解くのが一番簡単でした。態々追加質問にも答えて頂きありがとうございます。問題問題で解き易い解き方を模索するようにしますね。


    詳しく説明して頂きありがとうございました。

motimotihoppe

x2x^2 を消去して

{x2+2y2=44y=x2+a⟹4−2y2=4y−a\begin{aligned} \begin{cases} x^2 + 2y^2 = 4 \\ 4y = x^2 + a \end{cases} \Longrightarrow 4 - 2y^2 = 4y - a\end{aligned}

を導くところに注意がいります。x2=4−2y2x^2 = 4 - 2y^2 は非負ですが,右側の方程式は両辺が負であっても成り立ちます。つまり右側の方程式では,4−2y2≧04 - 2y^2 \geqq 0,すなわち y∈[−2,2]y \in [-\sqrt{2},\sqrt{2}] という条件が失われています。


判別式を使うと実直線全体における根の個数を調べることはできますが,区間 [−2,2][-\sqrt{2},\sqrt{2}] 上の根の個数を調べることはできません。

  • kakko_pn

    回答ありがとうございます。


    成程!確かにそうですね!全然気付きませんでした!目から鱗です!


    因みに、この問題は解の配置問題として解くことも、ひたすらグラフを書いて共有点を持つaaの範囲を求めることも出来ると思いますが、どちらの方がお勧めとかはありますか?

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