【数学Ⅱ】複素数と方程式04:2次方程式の解の公式と虚数解

2次方程式の解の公式と虚数解 複素数と方程式
さん
さん

今日の板書はこれ!

2次方程式の解の公式

■ 2次方程式の解の公式
2次方程式 \(ax^2+bx+c=0\)(\(a,\ b,\ c\) は実数)の解は

\(x=\frac{-b\pm\sqrt{b^2-4ac}}{2a}\)

■ b が偶数のとき
\(b=2b’\) のとき

\(x=\frac{-b’\pm\sqrt{b’^2-ac}}{a}\)

■ 注意
複素数の範囲で考えると、根号の中が負のときも解が求まる。

例題

2次方程式 \(3x^2-7x+5=0\) を解け。


▼ 解答

\(\begin{aligned}x&=\frac{-(-7)\pm\sqrt{(-7)^2-4\cdot3\cdot5}}{2\cdot3}\\[8pt]&=\frac{7\pm{\color{#45A3DA}{\sqrt{-11}}}}{6}={\color{#EE4656}{\frac{7\pm\sqrt{11}\,i}{6}}}\end{aligned}\)

生徒
生徒

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さん
さん

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根号の中が負でも解ける

数学Ⅰでは、\(x^2=-4\) のような方程式は「解なし」としていました。

しかし、複素数の範囲で考えると、\((2i)^2=-4\)、\((-2i)^2=-4\) なので、\(x=\pm2i\) という解をもちます。

生徒
生徒

2乗して負になる数を使えば、解が見つかるんだね!

同じように、\(x^2+2x+5=0\) を平方完成で解いてみましょう。

\((x+1)^2=-4\) より \(x+1=\pm2i\) なので \(x=-1\pm2i\)

このように、実数ではない解を虚数解といいます。

これに対して、実数の解を実数解といいます。

2次方程式の解の公式

平方完成を文字のまま行うと、2次方程式 \(ax^2+bx+c=0\)(\(a,\ b,\ c\) は実数)の解の公式が得られます。

この公式は、複素数の範囲では根号の中が負のときにも使えます。

\(x=\frac{-b\pm\sqrt{b^2-4ac}}{2a}\)

また、\(x\) の係数が偶数で \(b=2b’\) と表せるときは、約分した次の公式を使うと計算が楽になります。

\(x=\frac{-b’\pm\sqrt{b’^2-ac}}{a}\)

さん
さん

根号の中がマイナスになったら、前の記事と同じように \(\sqrt{-a}=\sqrt{a}\,i\) と直せばOKだよ!

虚数解をもつ2次方程式を解く

例題

2次方程式 \(3x^2-7x+5=0\) を解け。

\(a=3,\ b=-7,\ c=5\) を解の公式に代入します。

根号の中は \((-7)^2-4\cdot3\cdot5=49-60=-11\) となり負の数ですが、\(\sqrt{-11}=\sqrt{11}\,i\) と直せば答えが求まります。

\(\begin{aligned}x&=\frac{-(-7)\pm\sqrt{(-7)^2-4\cdot3\cdot5}}{2\cdot3}\\[8pt]&=\frac{7\pm{\color{#45A3DA}{\sqrt{-11}}}}{6}={\color{#EE4656}{\frac{7\pm\sqrt{11}\,i}{6}}}\end{aligned}\)

生徒
生徒

解の公式は、虚数解でもそのまま使えるんだね!

練習問題

練習

次の2次方程式を解け。

(1) \(x^2+3x+4=0\)  (2) \(3x^2-4x+2=0\)

(3) \(x^2+\sqrt{2}\,x+1=0\)  (4) \(x^2-2\sqrt{3}\,x+4=0\)

答えを見る

(1) \(x=\frac{-3\pm\sqrt{9-16}}{2}={\color{#EE4656}{\frac{-3\pm\sqrt{7}\,i}{2}}}\)

(2) \(b’=-2\) より \(x=\frac{2\pm\sqrt{4-6}}{3}={\color{#EE4656}{\frac{2\pm\sqrt{2}\,i}{3}}}\)

(3) \(x=\frac{-\sqrt{2}\pm\sqrt{2-4}}{2}={\color{#EE4656}{\frac{-\sqrt{2}\pm\sqrt{2}\,i}{2}}}\)

(4) \(b’=-\sqrt{3}\) より \(x=\sqrt{3}\pm\sqrt{3-4}={\color{#EE4656}{\sqrt{3}\pm i}}\)

まとめ:2次方程式の解の公式と虚数解

さん
さん

さて、今回のまとめだよ!

2次方程式の解の公式

■ 2次方程式の解の公式
2次方程式 \(ax^2+bx+c=0\)(\(a,\ b,\ c\) は実数)の解は

\(x=\frac{-b\pm\sqrt{b^2-4ac}}{2a}\)

■ b が偶数のとき
\(b=2b’\) のとき

\(x=\frac{-b’\pm\sqrt{b’^2-ac}}{a}\)

■ 注意
複素数の範囲で考えると、根号の中が負のときも解が求まる。

生徒
生徒

また一つ賢くなった!

さん
さん

一人だと続かない人は、こんな方法もあるよ!

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