1. 将点 $(x, y)$ 的存在条件转化为实数 $s$ 的存在条件
点 P(x,y) が領域 D に属するための条件は、
x=s+t,y=st,t≧s2,t≦1
を満たす実数 s,t が存在することである。
t=x−s を代入すると、条件は次と同値になる:
y=−s2+xs
を満たし、かつ
x−s≧s2⟺s2+s−x≦0⋯(i)
x−s≦1⟺s≧x−1⋯(ii)
を満たす実数 s が少なくとも1つ存在すること。
2. 求出使 $s$ 存在的 $x$ 的取值范围,以及 $s$ 的取值区间
不等式 (i) s2+s−x≦0 存在实数解的充要条件为判别式 Δ=1+4x≧0,即 x≧−41。
此时,方程 s2+s−x=0 的两根为
α=2−1−1+4x,β=2−1+1+4x
故满足 (i) 的 s 的范围为 α≦s≦β。
结合 (ii) s≧x−1:
当 −41≦x≦0 时,x−1≦α 恒成立,故 s 的取值范围为 [α,β];
当 0≦x≦2 时,α≦x−1≦β 恒成立,故 s 的取值范围为 [x−1,β];
当 x>2 时,x−1>β,无实数 s 满足条件。
因此,x 的取值范围为 −41≦x≦2。
3. 分析二次函数 $y = -s^2 + xs$ 的值域,确定 $D$ 的边界并图示
考虑函数 g(s)=−s2+xs,其对称轴为 s=2x,顶点坐标处值为 g(2x)=4x2。
(1) 当 −41≦x≦0 时,对称轴 2x≧β,函数 g(s) 在 [α,β] 上单调递增:
ymin=g(α)=α3,ymax=g(β)=β3。
由 x=s2+s,点 (x,y) 的上下边界分别对应参数曲线 x=s2+s,y=s3:
下边界对应 s∈[−1,−21],上边界对应 s∈[−21,0]。
(2) 当 0≦x≦2 时,对称轴 s=2x∈[x−1,β],故 ymax=4x2;
又 g(x−1)=x−1≦g(β)=β3,故最小值在端点 s=x−1 处取得:ymin=x−1。
即 x−1≦y≦4x2。
综上,領域 D 的边界由以下曲线组成:
- 曲线 C:x=s2+s,y=s3 (−1≦s≦0,在点 (−41,−81) 处具有纵向切线);
- 放物线 y=41x2 (0≦x≦2);
- 直线 y=x−1 (0≦x≦2)。
領域 D 为上述三条边界所围成的闭区域(含边界)。
答案領域 D は、放物線 y=41x2 (0≦x≦2)、直線 y=x−1 (0≦x≦2)、および曲線 x=s2+s,y=s3 (−1≦s≦0) で囲まれた部分(境界線を含む)。