§A2.8不等式の表す領域

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不等式の表す領域とは、その不等式を満たす点(x,y)(x, y)の全体のことです。等式が線(境界)を表すのに対し、不等式はその線で仕切られた「面」を表します。ここではx,y∈Rx,y\in\mathbb Rとし、連立不等式の領域を各条件の共通部分として扱います。

基本は 2 つだけです。境界の曲線y=f(x)y = f(x)に対して、

  • y>f(x)y > f(x)は境界の上側の領域
  • y<f(x)y < f(x)は境界の下側の領域

円なら(x−a)2+(y−b)2<r2(x-a)^2+(y-b)^2 < r^2が内部、>r2> r^2が外部です。

下の図は 3 つの不等式を同時に満たす領域です。塗りが重なるほど濃くなり、すべてを満たす部分(3 回重なって最も濃い三角形)が連立の答えです。

1 境界を含むか含まないか

≤,≥\leq, \geqなら境界の線を含み(実線で描く)、<,><, >なら含みません(点線で描く)。答案では、境界を含むかどうかを言葉でも明記します。これは「等号の有無」という小さな違いですが、最大・最小を考えるときに効いてきます。

2 つなげ方:線形計画法の入口

領域が決まると、その上でk=ax+byk = ax + byのような式の最大・最小を問えます。kkを固定するごとに直線ax+by=kax + by = kが 1 本引け、kkを変えるとその直線が平行に動きます。領域が空でない有界閉多角形なら、線形関数の最大・最小は存在し、頂点で達成されるか、目的直線と平行な辺全体で同じ値をとります。領域が非有界なら有限な最大・最小が存在しないこともあるので、まず領域の有界性を確認します。

つまり「領域を求める → 頂点の座標を出す → 各頂点でax+byax+byを計算して比べる」という手順になります。頂点は境界どうしの連立で求まります。

閑話休題:宿題を間違えた男と、世界を回す「頂点」 上の「最大・最小は領域の頂点で起きる」という観察は、そのまま線形計画法という一大分野の心臓部です。第二次大戦期に米軍の計画業務に携わっていたダンツィヒは、この種の問題が「一次不等式の領域の上で一次式を最大化する」形に共通してまとまることを見抜き、1947年にシンプレックス法を考案しました。変数が数百万あっても、やることは高校のこの単元と同じ——領域の頂点から頂点へ、値が良くなる方向に渡り歩くだけ。今日、航空会社の機材繰り、物流網、電力の発電計画、工場の生産計画は、毎日この計算で回っています。あなたが今 3頂点で比べている操作の、変数を百万個にした版が現役の産業インフラです。

ダンツィヒにはもう1つ有名な逸話があります。大学院生のとき統計学の講義に遅刻し、黒板に書いてあった2つの問題を宿題と思い込んで持ち帰り、「今回はやけに難しい」とぼやきながら数日かけて解いて提出しました——実はそれは、教授が「未解決問題の例」として紹介した問題でした。「これは解けないはずの問題だ」と知らないことが、ときに一番の武器になる、という話です。

例題

条件と何を求めるかを確認してから、式と答えの対応を見比べてください。

x,y を実数とする。次の連立不等式が表す非空・有界・閉領域において、z の最大値と、そのときの (x, y) を求めよ。

解法の型領域は多角形。直線 ax + by == z を平行移動して考えると、最大・最小は頂点で起こる

  1. 例題 1

    {x+2y≤8x+y≤6x≥0y≥0z=4x+7y\begin{cases} x+2y \le 8 \\ x+y \le 6 \\ x \ge 0 \\ y \ge 0 \end{cases}\qquad z = 4x+7y
  2. 例題 2

    {x+3y≤6x+y≤4x≥0y≥0z=6x+12y\begin{cases} x+3y \le 6 \\ x+y \le 4 \\ x \ge 0 \\ y \ge 0 \end{cases}\qquad z = 6x+12y
  3. 例題 3

    {x+y≤52x+y≤6x≥0y≥0z=9x+6y\begin{cases} x+y \le 5 \\ 2x+y \le 6 \\ x \ge 0 \\ y \ge 0 \end{cases}\qquad z = 9x+6y
  4. 例題 4

    {x+2y≤8x+y≤6x≥0y≥0z=5x+8y\begin{cases} x+2y \le 8 \\ x+y \le 6 \\ x \ge 0 \\ y \ge 0 \end{cases}\qquad z = 5x+8y
  5. 例題 5

    {x+2y≤143x+y≤12x≥0y≥0z=8x+6y\begin{cases} x+2y \le 14 \\ 3x+y \le 12 \\ x \ge 0 \\ y \ge 0 \end{cases}\qquad z = 8x+6y
  6. 例題 6

    {x+3y≤243x+y≤24x≥0y≥0z=12x+12y\begin{cases} x+3y \le 24 \\ 3x+y \le 24 \\ x \ge 0 \\ y \ge 0 \end{cases}\qquad z = 12x+12y
  7. 例題 7

    {x+y≤62x+y≤8x≥0y≥0z=4x+3y\begin{cases} x+y \le 6 \\ 2x+y \le 8 \\ x \ge 0 \\ y \ge 0 \end{cases}\qquad z = 4x+3y
  8. 例題 8

    {x+2y≤4x+y≤3x≥0y≥0z=5x+8y\begin{cases} x+2y \le 4 \\ x+y \le 3 \\ x \ge 0 \\ y \ge 0 \end{cases}\qquad z = 5x+8y
  9. 例題 9

    {x+y≤53x+y≤9x≥0y≥0z=5x+3y\begin{cases} x+y \le 5 \\ 3x+y \le 9 \\ x \ge 0 \\ y \ge 0 \end{cases}\qquad z = 5x+3y
  10. 例題 10

    {x+3y≤153x+y≤21x≥0y≥0z=10x+6y\begin{cases} x+3y \le 15 \\ 3x+y \le 21 \\ x \ge 0 \\ y \ge 0 \end{cases}\qquad z = 10x+6y

演習

問題を解いてから「解答・解説」を開けます。

x,y を実数とする。次の連立不等式が表す非空・有界・閉領域において、z の最大値と、そのときの (x, y) を求めよ。

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