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東北大学 2013年度 後期日程 第2次学力試験理系(後期)数学 第3問

2つの双曲線C:x2y2=1D:x2y2=1,および直線l:y=ax+bを考える。ただし,abは実数とする。

(1) Clがちょうど2点で交わるような点(a,b)の存在する範囲を図示せよ。

(2) Clがちょうど1点で交わるような点(a,b)の存在する範囲を図示せよ。

(3) Clの交点の個数とDlの交点の個数との和が,
ちょうど2となるような点(a,b)の存在する範囲を図示せよ。

難易度7/ 10計算量6/ 10目安32

図形と方程式方程式・不等式 判別式、場合分け、グラフの概形

方針

直線を2つの双曲線へ代入し、x の2次方程式の判別式を求める。ただし a=1 では2次の項が消えるため、判別式の表へ機械的に入れず、一次方程式として別に数える。最後に C,D の交点数を表で組み合わせ、境界を含むか除くかまで区別して3枚の (a,b) 平面へ描く。

解答

準備
直線 l:y=ax+bC,D に代入すると、それぞれC:(1a2)x22abx(b2+1)=0,D:(1a2)x22abx+(1b2)=0となる。a21 のときの判別式はΔC=4(b2+1a2),ΔD=4(a2+b21)である。

(1)
a<1 なら ΔC>0 なので、Cl は常に2点で交わる。a>1 ではΔC>0b2>a21.a=1 では2次の項が消える。b0 なら一次方程式となって交点は1個、b=0 なら解はないため、2点で交わることはない。よって求める範囲は a<1またはa>1, b2>a21 .(2)
a>1 では接する条件 ΔC=0 からb2=a21を得る。また a=1, b0 では、先ほど見たように一次方程式となるため交点はちょうど1個である。したがって a>1, b2=a21またはa=1, b0 .双曲線 b2=a21 の頂点 (±1,0) は、どちらの条件にも含まれないことに注意する。

(3)
交点数を NC,ND とする。境界を除く各領域では、必要な組合せは次の2つだけである。条件NCNDNC+NDa2+b2<1202a>1, b2<a21022さらに a=1, b0 では、C,D の方程式はいずれも一次方程式となりNC=ND=1である。一方、(a,b)=(±1,0) では両方とも交点をもたない。よって求める範囲は a2+b2<1またはa=1, b0またはa>1, b2<a21 .以上の3つの範囲を図示すると次のようになる。青色が求める領域、青線が含む境界、破線・白丸が含まない境界である。

総評

難度7、計算量6。目安時間は32分。判別式そのものより、a=1 で2次の係数が消える場合を一次方程式として数え直すことが最大の採点ポイントである。(3) は C,D の交点数を別々に表へ置くと、単位円の内部、双曲線の内側、直線 a=±1 の3種類を漏れなく拾える。頂点 (±1,0) は含まれないため、図の白丸まで答案に反映する。

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出典: 東北大学 2013年度 後期 数学。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。