(問題)
(1)pは[tex:02x+y-p=0,x+2y+p-1=0の交点の座標と点(2,1)を通る直線を\ellとするとき\ellの方程式を求めよ0](∵p<1
なので、
直線2x+y-p=0\ellが一致することはない。
そこで、
\ellの方程式を
x+2y+p-1+k(2x+y-p)=0・・・(a)
つまり、
(1+2k)x+(2+k)y+(p-kp-1)=0
とおく。(この式は、x+2y+p-1=02x+y-p=0の交点を通る、2x+y-p=0以外の直線の式を表す)


これが点(2,1)を通るので、
2(1+2k)+(2+k)+p-kp-1=0
つまり、
k(5-p)+3+p=0
これを解いて
k=\frac{p+3}{p-5}
これを(a)に代入して、
x+2y+p-1+\frac{p+3}{p-5}(2x+y-p)=0
つまり、
(p-5)(x+2y+p-1)+(p+3)(2x+y-p)=0
これを整理して、
(p-5)(x+2y+p-1)+(p+3)(2x+y-p)=0
(3p+1)x+(3p-7)y-9p+5=0・・・(答)


(2)
x+y \ne 3のとき、
(1)の答えをpについて解くと、
p=\frac{x-7y+5}{9-3x-3y}
つまり、
0<\frac{x-7y+5}{9-3x-3y}<1
となる。


0<\frac{x-7y+5}{9-3x-3y}
より、
(x-7y+5)>0かつx+y-3<0)・・・(b)
または
(x-7y+5)<0かつx+y-3>0)・・・(c)


(b)のとき、
\frac{x-7y+5}{9-3x-3y}<1
は、
x-7y+5<9-3x-3y
と同値で、これを整理すると
x-y-1<0


(c)のとき、
\frac{x-7y+5}{9-3x-3y}<1
は、
x-7y+5>9-3x-3y
と同値で、(x+y-3>0なので不等号の向きが逆転することに注意)
これを整理すると
x-y-1>0


また、x+y = 3・・・(d)
のとき(1)を満たすのは、x-7y+5=0・・・(e)
に限り、(d)かつ(e)となるのは、(x,y)=(2,1)に限る。
逆にこの点は問題(1)の答えによりすべての\ellが通る点である。


以上のことから、求める領域は図の水色の領域
(境界はすべて含まないが、点(2,1)は含む)・・・(答)