§A1.82次不等式

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2次不等式とは、実数xxについて、a,b,c∈Ra,b,c\in\mathbb{R}、a≠0a\ne0としたax2+bx+c>0ax^2 + bx + c > 0(や<,≥,≤<, \ge, \le)の形の不等式のことです。これを解く一番確実な方法は、対応する放物線y=ax2+bx+cy = ax^2 + bx + cを描いて、グラフがxx軸のどちら側にあるかを読むことです。式の操作より、絵で考えます。

1 グラフとの対応で読む

a>0a > 0(下に凸)の放物線を思い浮かべてください。

  • ax2+bx+c>0ax^2 + bx + c > 0(yyが正)= 放物線がxx軸より上にあるxxの範囲
  • ax2+bx+c<0ax^2 + bx + c < 0(yyが負)= 放物線がxx軸より下にあるxxの範囲

下の図でb,cb, cを動かしてください。縦帯が「放物線がxx軸より下」の範囲、つまり不等式<0< 0の解です。2解(軸との交点)の間が<0< 0、外側が>0> 0になる、という対応が体で分かります。

2 手順

  1. ax2+bx+c=0ax^2+bx+c = 0を解いて交点(境界)を求める。因数分解か解の公式で。
  2. 放物線の向き(aaの符号)を確認して、上に凸か下に凸か決める。
  3. グラフを描き、不等号の向きに合う範囲を読む。

a>0a > 0で 2解α<β\alpha < \betaを持つとき、

ax2+bx+c>0  ⟺  x<α または x>β,ax2+bx+c<0  ⟺  α<x<βax^2+bx+c > 0 \iff x < \alpha \ \text{または}\ x > \beta, \qquad ax^2+bx+c < 0 \iff \alpha < x < \beta

3 判別式が絡む場合に注意

ここでD=b2−4acD=b^2-4acを判別式とします。交点がない(D<0D < 0)とき、下に凸の放物線は全体がxx軸より上にあります。すると

  • ax2+bx+c>0ax^2+bx+c > 0はすべての実数が解
  • ax2+bx+c<0ax^2+bx+c < 0は解なし

xx軸に接する(D=0D = 0、重解をα\alphaとする)ときは、放物線が1点だけでxx軸に触れるので、4つの不等号がすべて違う答えになります(a>0a > 0のとき)。

  • ax2+bx+c>0ax^2+bx+c > 0はx≠αx \ne \alphaのすべての実数
  • ax2+bx+c≥0ax^2+bx+c \ge 0はすべての実数
  • ax2+bx+c<0ax^2+bx+c < 0は解なし
  • ax2+bx+c≤0ax^2+bx+c \le 0はx=αx = \alphaの1点のみ

たとえばx2−2x+1>0x^2 - 2x + 1 > 0の解は「x≠1x \ne 1のすべての実数」。「2解の間・外側」の型にも「全実数・解なし」の型にも当てはまらないので、D=0D = 0を見たら必ず接する図を描いてください。

この分岐は、式だけ見ていると間違えます。放物線を1本描けば一目です。

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。

実数 xx について、次の2次不等式を解け。

解法の型グラフを描き、xx 軸との交点の内側か外側かを読む

  1. (1)x2−2x>0x^{2}-2x > 0
  2. (2)x2+3x−18≥0x^{2}+3x-18 \ge 0
  3. (3)x2−5x+4<0x^{2}-5x+4 < 0
  4. (4)x2+8x+15≤0x^{2}+8x+15 \le 0
  5. (5)x2−1≤0x^{2}-1 \le 0

解法の型グラフが xx 軸に接する/離れている場合。答えの言い方に注意

  1. 例題 1

    x2+8x+17≥0x^{2}+8x+17 \ge 0
  2. 例題 2

    x2−10x+25<0x^{2}-10x+25 < 0
  3. 例題 3

    x2−8x+16≥0x^{2}-8x+16 \ge 0
  4. 例題 4

    x2+10x+25<0x^{2}+10x+25 < 0
  5. 例題 5

    x2+6x+9≥0x^{2}+6x+9 \ge 0

演習

問題を解いてから「解答・解説」を開けます。

実数 xx について、次の2次不等式を解け。

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