
今日の板書はこれ!
■ 方法① 複素数の相等を利用
解を代入して、複素数の相等条件を利用して求める。
\(A,\ B\) が実数のとき
\(A+Bi=0\ \Leftrightarrow\ A=0\) かつ \(B=0\)
※ \(A,\ B\) が実数であることを記述する。
■ 方法② 共役な複素数を利用
共役な複素数と、解と係数の関係を利用して求める。
実数係数の方程式が虚数解 \({\color{#45A3DA}{a+bi}}\) をもつとき、共役な複素数 \({\color{#3CB371}{a-bi}}\) も解にもつ。
\(a,\ b\) は実数とする。3次方程式 \(x^3-3x^2+ax+b=0\) が \(1+2i\) を解にもつとき、定数 \(a,\ b\) の値を求めよ。また、他の解を求めよ。
▼ 解答
\(x={\color{#45A3DA}{1+2i}}\) を代入すると
\((1+2i)^3-3(1+2i)^2+a(1+2i)+b=0\)
これを整理すると \((a+b-2)+(2a-14)i=0\)
\(a+b-2,\ 2a-14\) は実数であるから \({\color{#EE4656}{a+b-2=0,\ 2a-14=0}}\)
よって \(a=7,\ b=-5\)
このとき、3次方程式は \(x^3-3x^2+7x-5=0\)
\(x=1\) を解にもつから \((x-1)(x^2-2x+5)=0\) より \(x=1,\ 1\pm2i\)
よって \({\color{#EE4656}{a=7,\ b=-5}}\)、他の解 \({\color{#EE4656}{x=1,\ 1-2i}}\)

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方法① 解を代入して複素数の相等を使う
\(x={\color{#45A3DA}{1+2i}}\) が解であるということは、方程式に代入すると等式が成り立つということです。
代入して整理すると「\(A+Bi=0\)」の形になるので、複素数の相等を使って \(a,\ b\) を求めます。
虚数解から係数と他の解を求める
\(a,\ b\) は実数とする。3次方程式 \(x^3-3x^2+ax+b=0\) が \(1+2i\) を解にもつとき、定数 \(a,\ b\) の値を求めよ。また、他の解を求めよ。
1+2i を代入する
先に \((1+2i)^2\) と \((1+2i)^3\) を計算しておきます。
\((1+2i)^2=1+4i+4i^2=-3+4i\)
\((1+2i)^3=(1+2i)(-3+4i)=-3+4i-6i+8i^2=-11-2i\)
これらを方程式に代入して、実部と虚部に分けて整理します。
\(\begin{aligned}&(-11-2i)-3(-3+4i)+a(1+2i)+b\\[8pt]&=(-11+9+a+b)+(-2-12+2a)i\\[8pt]&=(a+b-2)+(2a-14)i=0\end{aligned}\)
複素数の相等を使う
\(a,\ b\) は実数なので、\(a+b-2\) と \(2a-14\) も実数です。
複素数の相等より、実部も虚部も \(0\) になります。
\({\color{#EE4656}{a+b-2=0}}\) かつ \({\color{#EE4656}{2a-14=0}}\)
これを解くと、\(a=7,\ b=-5\) です。
他の解を求める
このとき、3次方程式は \(x^3-3x^2+7x-5=0\) となります。
\(x=1\) を代入すると \(1-3+7-5=0\) なので、\(x-1\) を因数にもちます。
組立除法で割ると、商は \(x^2-2x+5\) です。
\(\begin{array}{r|rrrr}1 & 1 & -3 & 7 & -5 \\ & & 1 & -2 & 5 \\ \hline & 1 & -2 & 5 & 0\end{array}\)
\((x-1)(x^2-2x+5)=0\) より \(x=1,\ 1\pm2i\)
よって、\({\color{#EE4656}{a=7,\ b=-5}}\)、他の解は \({\color{#EE4656}{x=1,\ 1-2i}}\) です。

解の中に \(1+2i\) と共役な \(1-2i\) も入っていることに注目しよう!
方法② 共役な複素数を使う
たとえば、2次方程式 \(x^2-2x+5=0\) の解は \(x=1\pm2i\) で、互いに共役な複素数になっています。
実数係数の方程式が虚数解 \(a+bi\) をもつとき、共役な複素数 \(a-bi\) も解にもちます。
実数係数の方程式に \(x=a+bi\) を代入して整理すると、\(A+Bi=0\)(\(A,\ B\) は実数)の形になり、複素数の相等より \(A=0,\ B=0\) です。
同じ方程式に \(x=a-bi\) を代入すると、係数がすべて実数なので、計算は \(i\) の符号が逆になるだけで、\(A-Bi\) となります。
\(A=0,\ B=0\) なので \(A-Bi=0\) となり、\(a-bi\) も解であることが分かります。
共役な複素数を使って係数と他の解を求める
例題1を、\(1+2i\) と共役な複素数 \(1-2i\) も解になることを利用して解け。
1−2i も解になる
実数係数の3次方程式が \(1+2i\) を解にもつので、共役な複素数 \(1-2i\) も解です。
2つの解の和は \(2\)、積は \(5\) なので、この2つを解とする2次方程式は \(x^2-2x+5=0\) です。
したがって、方程式の左辺は \(x^2-2x+5\) で割り切れます。

2つの解をまとめると、2次式で割り切れることが分かるんだね!
係数を比べる
残りの解を \(\gamma\) とすると、次のように表せます。
\(x^3-3x^2+ax+b=(x^2-2x+5)(x-\gamma)\)
右辺を展開すると \(x^3-(\gamma+2)x^2+(2\gamma+5)x-5\gamma\) です。
両辺の係数を比べると、\(\gamma+2=3\)、\(a=2\gamma+5\)、\(b=-5\gamma\) となります。
\(\gamma=1\) より、\({\color{#EE4656}{a=7,\ b=-5}}\)、他の解は \({\color{#EE4656}{x=1,\ 1-2i}}\) です。
練習問題
\(a,\ b\) は実数とする。3次方程式 \(x^3+x^2+ax+b=0\) が \(1+i\) を解にもつとき、定数 \(a,\ b\) の値を求めよ。また、他の解を求めよ。
答えを見る
\((1+i)^2=2i\)、\((1+i)^3=2i(1+i)=-2+2i\) であるから、\(x=1+i\) を代入すると
\((-2+2i)+2i+a(1+i)+b=0\)
整理すると \((a+b-2)+(a+4)i=0\)
\(a+b-2,\ a+4\) は実数であるから \(a+b-2=0,\ a+4=0\)
よって \({\color{#EE4656}{a=-4,\ b=6}}\)
このとき \(x^3+x^2-4x+6=(x+3)(x^2-2x+2)=0\)
よって、他の解は \({\color{#EE4656}{x=-3,\ 1-i}}\)
まとめ:3次方程式の解から係数決定

さて、今回のまとめだよ!
■ 方法① 複素数の相等を利用
解を代入して、複素数の相等条件を利用して求める。
\(A,\ B\) が実数のとき
\(A+Bi=0\ \Leftrightarrow\ A=0\) かつ \(B=0\)
※ \(A,\ B\) が実数であることを記述する。
■ 方法② 共役な複素数を利用
共役な複素数と、解と係数の関係を利用して求める。
実数係数の方程式が虚数解 \({\color{#45A3DA}{a+bi}}\) をもつとき、共役な複素数 \({\color{#3CB371}{a-bi}}\) も解にもつ。

また一つ賢くなった!

一人だと続かない人は、こんな方法もあるよ!





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