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東北大学 2009年度 前期日程 第2次学力試験理系数学 第6問

実数aに対して,xの方程式∣x(x−2)∣+2a∣x∣−4a∣x−2∣−1=0が相異なる4つの実数解をもつようなaの範囲を求めよ.

難易度7/ 10計算量7/ 10目安25分

方程式・不等式、関数 絶対値の処理、判別式、場合分け

方針

絶対値の符号が変わる x=0,2 で3区間に分ける.各区間の二次式について端点の符号・頂点・判別式から根数を決め,区間端の重複と重解を除いて合計が4になる a を拾う.

解答

F(x)=∣x(x−2)∣+2a∣x∣−4a∣x−2∣−1とおく.絶対値を外すとF(x)={x2+(2a−2)x−8a−1(x<0),−x2+(2+6a)x−8a−1(0≦x<2),x2−(2+2a)x+8a−1(x≧2).区間端の値はF(0)=−8a−1,F(2)=4a−1である.

x<0 にある根

この区間の二次式は x→−∞ で正となる.F(0)<0,すなわちa>−18のとき,x<0 にちょうど1根をもつ.それ以外では0根である.

0≦x<2 にある根

中央の二次式の判別式はΔ0=4a(9a−2)である.下に開くことと端点の符号を合わせると,根数はa(−18,0)(0,29)(29,14)(14,∞)根数2021となる.境界では,a=0 で x=1 が重解,a=2/9 で重解,
a=−1/8 では x=0,a=1/4 では x=2 が根になる.

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x≧2 にある根

a<1/4 では F(2)<0 で,x→∞ では正だから1根をもつ.
a>1/4 では,頂点 x=a+1 がこの区間に入る a≧1 の場合だけ
2根の可能性がある.判別式はΔ2=4(a2−6a+2)なので,a≧1 のもとで2根をもつ条件はa>3+7.a=3+7 では重解であり,相異なる根は1個である.

以上を合計すると,a(−18,0)(29,14)(3+7,∞)x<01110≦x<2221x≧2112合計444である.したがって求める範囲は−18<a<0,29<a<14,a>3+7である.

総評

難度7、計算量7。絶対値を3区間で外すだけでなく,各区間に入る根の個数を端点込みで丁寧に数える必要がある。特にa>3+7では右側の2次式がx≧2に2根をもつため,この範囲を落としやすい。端点a=−1/8,0,2/9,1/4,3+7では根が端点や重解になり,相異なる4根にはならない。目安時間は25分前後。

根数表では区間端 x=0,2 を一方だけに含めて重複を防ぐ.a=0 と a=3+7 では重解,a=−1/8,1/4 では区間端の根が生じるため,いずれも4個の相異なる解にはならない.

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出典: 東北大学 2009年度 前期 数学(大学公式の問題PDF)。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。