問題
を原点とする座標平面を考える。不等式
が表す領域をとする。また，点，が領域を動くとき，をみたす点が動く範囲をとする。
(1) ，をそれぞれ図示せよ。
% 図は省略
(2) ，を実数とし，不等式
が表す領域をとする。また，点，が領域を動くとき，をみたす点が動く範囲をとする。はと一致することを示せ。
出典：東京大学 2019年度 前期日程 第2次学力試験 文系 第4問
方針
は で表される原点中心のひし形である。点 は なので、三角不等式から が必要になる。逆にこの不等式を満たす点は 、 と取れば実現できるため、必要十分条件が得られる。(2)では が を だけ平行移動した領域であることを使い、2点の差を取ると平行移動分が消えることを示す。
解答
(1)
は で表される領域である。したがって、頂点 をもつひし形である。
次に 、、 とおく。 だから である。よって三角不等式より
である。したがって は の中に含まれる。
逆に、 を満たす点 を任意に取る。このとき
とおけば なので、 はどちらも に属する。また である。よって である。これは頂点 をもつひし形である。
(2)
は をベクトル だけ平行移動した領域である。したがって、 が を動くことは、ある の点 を用いて と書けることと同じである。
このとき である。右辺 が動く範囲は(1)で求めた そのものだから、 である。
逆に、任意の の点はある の点 により と書ける。この から 、 と取れば、 は に属し、 となる。したがって でもある。
以上より である。
別解。 は原点に関して対称なので、 である。したがって となる。 のひし形を2倍に拡大したものが であるから、やはり を得る。平行移動後も となり、移動分は差で消える。