【質問】数学:正方形の内部の点に対応する点が動く範囲

〔質問〕
4点(0,0), (1,0), (1,1), (0,1) を頂点とする正方形の内部及び周上を動く点P(x,y) に点Q(2x+y, x+3y) を対応させるとき、点Qの動く範囲を図示せよ。という問題で、
0≦x≦1, 0≦y≦1 だから、0≦2x+y≦3, 0≦x+3y≦4
Q(X, Y)とおくと、X=2x+y, Y=x+3y
したがって、0≦X≦3, 0≦Y≦4
 
としてはいけないのはなぜですか?
〔回答〕
たしかに全体としての X, Y の範囲はそこにおさまりますが、実際には (X, Y) は連動して動く(それぞれが自由には動けない)ため、「2x+y」だけの範囲と、「x+3y」だけの範囲を別々に扱ってはいけないのです。
例えば、(x, y)=(1, 0) のときに、X=2 に対して、Y は 1 でしかありません。ここで自由に Y=0 のようなことはできないわけです。
 
一方、(x, y) については、0≦x≦1, 0≦y≦1 の範囲内ではお互い独立して自由に動くことができます。
ですので、今回の問題は X=2x+y, Y=x+3y から、x=(3X-Y)/5, Y=(-X+2Y)/5 とした上で、これを 0≦x≦1, 0≦y≦1 の式に代入する、ということが必要なのです。

 

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