Algebra · real student question

二次関数 f について f(x) <= 0 の解がちょうど -1 <= x <= 5 であり、f の最小値が -18 であるとき、不等式 f(x) <= 6 を解け。

Question

f(x)f(x) を二次関数とする。f(x)0f(x)\le 0 の解はちょうど

1x5,-1\le x\le 5,

であり、すべての実数 xx における f(x)f(x) の最小値は 18-18 である。このとき不等式

f(x)6.f(x)\le 6.

を解け。

Step-by-step solution

  1. 解集合から 2 つの解と凸の向きをそのまま読み取る。 f(x)0f(x)\le0 がちょうど有界な閉区間で成り立つので、ff は端点で 00 になり、その間では真に負である。つまり 1-155 が 2 つの解であり、放物線は下に凸である(上に凸なら f0f\le0 は外側の 2 本の半直線になってしまう)。したがって

    f(x)=a(x+1)(x5),a>0.f(x)=a(x+1)(x-5),\qquad a>0.

  2. 平方完成せずに対称性で頂点を求める。 下に凸の放物線では、最小値は 2 つの解のちょうど中間にある:

    x頂点=1+52=2.x_{\text{頂点}}=\frac{-1+5}{2}=2.

    与えられた最小値が現れうるのはここだけである。

  3. 最小値を aa についての方程式に変える。

    f(2)=a(2+1)(25)=9af(2)=a(2+1)(2-5)=-9a

    9a=18a=2-9a=-18\quad\Longrightarrow\quad a=2

    符号の確認も通る:a=2>0a=2>0 で、ステップ 1 で導いた下に凸と整合する。よって

    f(x)=2(x+1)(x5)=2x28x10.f(x)=2(x+1)(x-5)=2x^2-8x-10.

  4. f(x)6f(x)\le 6 を解く。 すべてを一方の辺に移し、正の最高次の係数で割る(正の数で割っても不等号は反転しない):

    2x28x106    2x28x160    x24x80.2x^2-8x-10\le6\;\Longrightarrow\;2x^2-8x-16\le0\;\Longrightarrow\;x^2-4x-8\le0.

  5. 境界の方程式の解を求め、正しい側を選ぶ。

    x=4±16+322=4±432=2±23x=\frac{4\pm\sqrt{16+32}}{2}=\frac{4\pm4\sqrt3}{2}=2\pm2\sqrt3

    x24x8x^2-4x-8 は下に凸なので、0\le0 となるのは 2 つの解のである:

    223x2+23(おおよそ 1.464x5.464).2-2\sqrt3\le x\le 2+2\sqrt3\qquad(\text{おおよそ }-1.464\le x\le5.464).

  6. 与えられた条件に照らして答えを確認する。 新しい区間は x=2x=2 を中心にしており、対称軸は同じで、[1,5][-1,5] を真に含んでいる。下に凸の放物線では高さ 66 が高さ 00 より上にあるので、そうならなければならない。端点を代入すると f(2+23)=2(3+23)(3+23)=2(129)=6f\left(2+2\sqrt3\right)=2\left(3+2\sqrt3\right)\left(-3+2\sqrt3\right)=2\left(12-9\right)=6 で、ちょうど境界の値になる。

Answer

223x2+232-2\sqrt{3}\le x\le 2+2\sqrt{3}

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