東大理系数学'20年前期[1]
a,b,c,pを実数とする。不等式
をすべて満たす実数xの集合と、を満たす実数xの集合が一致しているとする。
(1) a,b,cはすべて0以上であることを示せ。
(2) a,b,cのうち少なくとも1個は0であることを示せ。
(3) であることを示せ。
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解答 問題文に、「すべて0以上」、「少なくとも1個」というような言葉が出てくるので、背理法で証明します(証明の技巧を参照)。解答を書きやすくするために集合を用いて、,,,,とします。また、方程式の判別式:,解を, (ともに実数のときにはとする),方程式の判別式:,解を, (ともに実数のときにはとする),方程式の判別式:,解を, (ともに実数のときにはとする)とします。
条件:を(*)とします。
(1) a,b,cのうちどれか一つ、例えばa (b,cでも同様です)がだと仮定します(のグラフは右図のような上に凸な放物線。2次方程式の一般論を参照)。 のとき、 かつとなるqについて、,となるので、とはなり得ず、(*)は成立しません。 なので、とはなり得ず、(*)は成立しません。 以上より、a,b,cのうちどれか一つが負だと仮定すると(*)が成立せず、仮定は誤りで、a,b,cはすべて0以上です。
(2) (1)を考慮して、a,b,cがすべて正だと仮定します(のグラフは右図のような下に凸な放物線。2次方程式の一般論を参照)。 のとき、 ・・・@のとき、 ・・・Aのとき、 ・・・Bのとき、 ・・・Cのとき、 ・・・Dのとき、 ・・・E,,の中に実数があれば(@またはBまたはDのとき)、そのどれよりも小さく、かつ、となるq,
あるいは、,,の中に実数がなければ(AかつCかつEのとき)、となるq,
について、
,となるので、とはなり得ず、(*)は成立しません。
よって、a,b,cがすべて正だと仮定すると(*)が成立せず、仮定は誤りで、(1)を考慮して、a,b,cのうち少なくとも1個は0です。
(3) (2)より、a,b,cのうち少なくとも1個は0なので、例えば (の場合、の場合も同様です)とします。 (i) のとき、などより問題文の不等式はとなりますが、これは成り立たないので、となり、なので、で、(*)は成立しません。 かつも同様です。 よって、より、
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