方針
は 、 の下向きの領域である。これが に含まれるには、各 で境界線 が に入れば十分かつ必要である。したがって が区間全体で成り立つ条件に直す。これは の最小値を で求める問題であり、 が区間の左・内部・右のどこにあるかで場合分けする。
解答
領域 は で定まる。領域 は 、 であるから、 となるためには、すべての について、 の上端である が に含まれればよい。すなわち が必要十分である。
したがって がすべての で成り立てばよい。つまり である。
ここで とおくと である。区間 では なので、臨界点として関係するのは である。 のとき、 で だから は増加する。よって最小値は である。 のとき、 は で減少し、 で増加する。よって最小値は である。 のとき、 で だから は減少する。よって最小値は である。
以上より、求める条件はである。
図示すると、 平面で上の境界曲線 を描き、その下側全体を塗った領域である。境界はすべて含む。
別解
解法2
方針
包含条件を区間上の最小値へ直す。 と置けば偶関数として3区間だけを調べればよい。
解答
であるための必要十分条件はである。 とおくとしたがって 平面では、この連続な偶関数のグラフを境界とする下側で、境界も含む。
総評
領域包含を1変数関数の最小値問題へ変換する問題である。目安時間は20分程度。 が下向きに無限に伸びる領域なので、上端 だけを調べればよいという観察が最初の鍵になる。最小値の計算では から で場合分けする。 の境界で式がつながることも確認しておくと、図示の際に曲線の接続を誤りにくい。