放物線 y=(x-p)^2-2 が、(0,0),(1,2),(0,2)を頂点とする三角形と交わる
ような実数pの範囲を求めよ。よろしくお願いします。
★希望★完全解答★
放物線 y=(x-p)^2-2 が、(0,0),(1,2),(0,2)を頂点とする三角形と交わる
ような実数pの範囲を求めよ。よろしくお願いします。
★希望★完全解答★
図で考えるしかなさそうですね。
頂点の座標に O(0,0), A(1,2), B(0,2) と名前をつけておきます。
放物線 y=(x-2\()^{2}\)-2 の頂点の座標は (p,-2) で,
p の値によらずに,x 軸に平行な直線 y=-2 上にあります。
p の値を増やしていくと,頂点が直線 y=-2 上を左から右に動いていきます。
そこで,xy 平面に直線 y=-2 を引いて,それ上に頂点がある下に凸な
放物線 y=(x-p\()^{2}\)-2 を左から右にスライドさせて考えます。
まず,放物線が三角形のかなり左にあるところから始めましょう。
右にスライドさせていくと,まず放物線の右側の部分がBと交わります。
さらに右にスライドさせていくと,放物線は三角形の内部を通過しますが,
Aを通り過ぎてしまうと交点がなくなってしまいます。
さらに右にスライドさせていくと,今度は放物線の左側の部分がOにひっかかり,
それからしばらく三角形の内部を通過する状態が続き,やはりAを通り過ぎてしまうと
もう交点をもたなくなります。
というわけで,放物線がO, A, B を通るときの p の値が鍵になることが
わかりましたので,それらを求めることにします。
Aを通るとき,2=(1-p\()^{2}\)-2 すなわち \(p^{2}\)-2p-4=0 より p=1\(\pm\)\(\sqrt{\quad}\)5.
Bを通るとき,2=(0-p\()^{2}\)-2 より \(p^{2}\)=4,よって p=\(\pm\)2.
Oを通るとき,0=(0-p\()^{2}\)-2 より \(p^{2}\)=2,よって p=\(\pm\)\(\sqrt{\quad}\)2.
よって,先ほどの議論より
p<-2 のとき交点なし,
p=-2 のときBで交わる,
-2<p<1-\(\sqrt{\quad}\)5 で三角形の内部を通過する,
p=1-\(\sqrt{\quad}\)5 のときAで交わる,
1-\(\sqrt{\quad}\)5<p<\(\sqrt{\quad}\)2 のとき交点なし,
p=\(\sqrt{\quad}\)2 のとき原点Oで交わる,
\(\sqrt{\quad}\)2<p<1+\(\sqrt{\quad}\)5 で三角形の内部を通過する,
p=1+\(\sqrt{\quad}\)5 のときAで交わる,
1+\(\sqrt{\quad}\)5<p のとき交点なし。
答えは,-2≦p≦1-\(\sqrt{\quad}\)5 または \(\sqrt{\quad}\)2≦p≦1+\(\sqrt{\quad}\)5.
O(0,0),A(1,2),B(0,2)とし、
C:y=(x-p\()^{2}\)-2を陰関数表示した(x-p\()^{2}\)-y-2=0についてf(x,y)=(x-p\()^{2}\)-y-2とする。
Cの頂点はy=-2上に存在するので△OABとCが交わるのならばCは辺OA
又は辺OBを通る。正領域と負領域の関係から
①Cが辺OAを通るとき
(0,0)と(1,2)が異なる領域に存在するので
f(0,0)・f(1,2)≦0
{(0-p\()^{2}\)-0-2}{(1-p\()^{2}\)-2-2}≦0
(\(p^{2}\)-2)(\(p^{2}\)-2p-3)≦0
(p+\(\sqrt{\quad}\)2)(p-\(\sqrt{\quad}\)2)(p-3)(p+1)≦0
よって-\(\sqrt{\quad}\)2≦p≦-1,\(\sqrt{\quad}\)2≦p≦3
②Cが辺OBを通るとき
(0,0)と(0,2)が異なる領域に存在するので
f(0,0)・f(0,2)≦0
{(0-p\()^{2}\)-0-2}{(0-p\()^{2}\)-2-2}≦0
(\(p^{2}\)-2)(\(p^{2}\)-4)≦0
(p+\(\sqrt{\quad}\)2)(p-\(\sqrt{\quad}\)2)(p-2)(p+2)≦0
よって-2≦p≦-\(\sqrt{\quad}\)2,\(\sqrt{\quad}\)2≦p≦2
①②をあわせて
-2≦p≦-1,\(\sqrt{\quad}\)2≦p≦3