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東北大学 2000年度 前期日程文系数学 第2問

等式x2+(i−2)x+2ab+(b2−2a)i=0を満たす実数a,bが存在するような,実数xの範囲を求めよ.
ただし,i=−1である.

難易度5/ 10計算量4/ 10目安16分

複素数平面、方程式・不等式 実部虚部比較、判別式、範囲評価

方針

複素数の等式が 0 になる条件は、実部と虚部がともに 0 になることである。虚部の式から b を a,x で表し、実部へ代入して a についての2次方程式にする。求めるのは a,b の値ではなく実数解の存在する x の範囲なので、判別式が 0 以上である条件を端点込みで整理する。

解答

与えられた式の実部と虚部をそれぞれ 0 とおくと x2−2x+2ab=0,x+b2−2a=0 である。第2式より b=4a−2x であるから、これを第1式に代入して x2−2x+2a(4a−2x)=0 すなわち 8a2−4ax+x2−2x=0 を得る。

ここで x を固定して考えると、これは a についての2次方程式である。実数 a が存在するための必要十分条件は判別式が 0 以上であることだから (−4x)2−4⋅8(x2−2x)≧0 である。左辺を整理すると 16x2−32x2+64x=16x(4−x) なので x(4−x)≧0 となる。したがって 0≦x≦4 である。

逆に、0≦x≦4 なら上の2次方程式は実数解 a をもち、その a に対して b=4a−2x と定めれば実部・虚部がともに 0 になる。よって求める範囲は 0≦x≦4 である。

別解

解法2

方針

実部・虚部の連立式から b を消去し、残った式を a について平方完成する。非負の平方が指定値を取れる条件を読む。

解答

複素数の実部と虚部をそれぞれ0とおくとx2−2x+2ab=0,x+b2−2a=0である。第2式から b=4a−2x であり、第1式へ代入すると8a2−4ax+x2−2x=0.左辺を a について平方完成すれば8(a−x4)2=2x−x22=x(4−x)2.左辺は a を動かすと0以上のすべての値を取る。したがって実数 a が存在するための
必要十分条件はx(4−x)≧0,すなわち0≦x≦4である。この範囲なら上式を満たす a を取り、b=4a−2x と定めれば元の複素数等式を
満たすので、十分性も確認できる。

総評

難度は10段階中5、計算量は10段階中4。目安は16分。複素数の問題だが、実際には実部・虚部の連立条件を実数解の存在問題へ変換する問題である。判別式を使う場合、a についての2次方程式として見ていることを明記するのが重要で、x について解いてしまうと論点がずれる。端点 x=0,4 では重解になるだけで存在はするので、< ではなく ≦ で答える点にも注意したい。 2つの解法は標準的な答案手順と、構造を使って検算できる別経路に分けた。等号条件、範囲、必要性と十分性を明示し、積分・総和・極限および主要な分数は読みやすい表示形式に統一した。

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出典: 東北大学 2000年度 前期日程 数学 第2問。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。