要約
この課は、代数関数と多項式についての単元の入り口である。単元の九つの課と、それらを結ぶ糸、すなわち因数分解を紹介する。根、符号、不等式、定義域、漸近線、グラフはすべて因数分解に依存する。次に、これらの考えの歴史的背景を、バビロニアの粘土板に見られる 2 次の問題とフワーリズミーの代数から、16 世紀イタリアの公式、ヴィエトとデカルトの記号法、オイラーとディリクレの関数概念までたどる。それらを生んだ二つの問題、すなわち多項式方程式を解くことと関数を記述することを正確に定式化し、因数分解が両方を同時に解決するしかたを一つの例で示す。最後に、これらの考えがコースの残りの部分、サイトのほかのコース、そして科学と技術のどこで使われるかを示す。
学習目標
- 単元の各課の内容を述べ、多項式の因数分解が全体のなかで果たす役割を説明する。
- 単元の主な結果を歴史的背景のなかに位置づけ、その担い手と、それぞれが解こうとしていた問題を挙げる。
- 多項式方程式を解く問題と代数関数を記述する問題を定式化し、一つの因数分解が両方に答えるしかたを例のなかで見てとる。
- これらの考えが、あとの単元、ほかのコース、そして科学的・技術的な応用のどこに再び現れるかを示す。
導入テスト
単元に取りかかる前に、出発点を測っておくとよい。このテストは自分で確かめるためのもので、採点はされない。最初の九問は単元の九つの課を一つずつ扱い、第十問は具体的な状況を関数として表すことを求める。同じ技能は、最後のまとめの課で改めて測る。最後の三問は、この単元が数の集合についての単元から既知とするものを確かめる。誤った答えはそれぞれ、立ち止まるべき課を示す。
単元を始める前に、自分の出発点を測りましょう。短い自己評価です。採点はされず、結果はあなたのブラウザーにだけ保存されます。
問 1関数 f(x)=x−14−x の定義域はどれか。
解くときに不等号の向きを逆にしている。
4−x≥0 は
x≤4 と同値である。
x を他方の辺に移すと
4≥x となるからである。
根号の中身は負でない必要があり、
4−x≥0、すなわち
x≤4 である。また分母は零になれないので、
1 が除かれる。
x=4 では根号の値は
0 で、商は定義される。
復習: 実変数の代数関数
問 2関数 f(x)=(x−1)2+2 は、[1,∞) に制限すると [2,∞) の上への全単射になる。その逆関数はどれか。
これは放物線のもう半分、すなわち
(−∞,1] への制限の逆関数である。その値は
1 以下で、そのうち与えられた制限の定義域に属するのは
1 だけである。
平行移動の符号を逆にして演算を戻している。
x−1 から
x に戻るには
1 を足す必要があり、引くのではない。たとえば
f(2)=3 だが、この式は
0 を与える(
3 において)。
これは逆数であって、逆関数ではない。指数
−1(
f−1 の)は、
f の作用を打ち消す関数を表す記号にすぎない。
解くと
(x−1)2=y−2 となる。この制限では
x−1≥0 なので、数
x−1 は
y−2 の正の平方根であり、その符号を変えたものではない。
f(1+y−2)=y となることが確かめられる。
復習: 関数の演算、逆関数とグラフの変換
問 3k がどんな値のとき、多項式 x3+kx2+x−6 は x−2 で割り切れるか。
正しい答え: −1
因数定理により、
x−2 がこの多項式を割り切るのは、多項式が
2 で零になるときに限る。
8+4k+2−6=4k+4=0 より
k=−1 である。
4 を得た人は
−2 で値を求めているが、それは
x+2 の根であって、
x−2 の根ではない。
復習: 実数係数の多項式の代数
問 4r と s が 2x2−6x+1 の根であるとき、r2+s2 の値はいくらか。
正しい答え: 8
解と係数の関係により
r+s=3、
rs=21 である。よって
r2+s2=(r+s)2−2rs=9−1=8。
9 を得た人は
r2+s2 を
(r+s)2 と取り違えており、
10 を得た人は
2rs を引く代わりに足している。
復習: 二次多項式と 2n 次三項式の因数分解
問 5a と b を整数とする。有理根定理によると、次の数のうち 3x3+ax2+bx+2 の根になりえないものはどれか。
この数は確かに候補である。
2 は
2 を割り切り、
3 は
3 を割り切る。定数項と最高次の係数の役割を入れ替えてしまったのかもしれない。
これは候補である。
−1 は
2 を割り切り、
3 は
3 を割り切る。整数がほかの整数を割り切るのは、その符号を変えた数が割り切るときにちょうど限られるので、定理は負の符号を除外しない。
これは整数の候補である。
−2 は
2 を割り切り、分母は
1 で、これはすべての整数を割り切る。根になるかどうかは
a と
b によって決まる。
既約な有理数の根
qp では、
p が定数項
2 を割り切り、
q が最高次の係数
3 を割り切る。
23 では、分子
3 は
2 を割り切らず、分母
2 も
3 を割り切らない。
復習: 高次多項式の根と組立除法
問 6どんな数 A と B が、(x−1)(x+2)3x+1=x−1A+x+2B を、1 とも −2 とも異なるすべての実数で満たすか。
これは根における分子の値で、もう一方の因数の値で割っていない。
x−1 を覆い隠すと、因数
x+2 も見えたまま残り、分子と一緒にその値を求める。
−2 で値を求めるときに分母の符号を落としている。因数
x−1 はそこで
−3 になり、
−5 を
−3 で割った商は正である。
分子の係数を分数式に振り分けてしまっている。和
x−13+x+21 の分子は
4x+5 であって、
3x+1 ではない。
覆い隠し法により、
A は
1 における
x+23x+1 の値で、
34 であり、
B は
−2 における
x−13x+1 の値で、
−3−5=35 である。
x=0 では両辺とも
−21 になる。
復習: 分数式と部分分数分解
問 7不等式 x−2(x−1)2(x+3)<0 の解の集合はどれか。
1 を除いていない。そこでは因数
(x−1)2 が零になり、商は
0 となるが、これは負ではない。2 重根は符号を変えないが、零点であることに変わりはない。
商は
x−2x+3 と同じ符号をもつ(
1 以外で)。因数
(x−1)2 がそこでは正だからである。この商は
−3 と
2 の間で負である。
1 では分子が零になり、狭義の不等式はそれを除く。
復習: 符号表と不等式
問 8f(x)=x−12x2+3x−1 のグラフの斜め漸近線はどれか。
分子の最初の二つの項だけを
x で割っている。まるで分母が
x であるかのようである。
x−1 で割らなければならず、割る式の項
−1 が商を変える。
これは分母の零点に対応する鉛直漸近線である。斜め漸近線は、
x が
∞ または
−∞ に近づくときの関数を記述する。
割り算により
2x2+3x−1=(x−1)(2x+5)+4 となるので
f(x)=2x+5+x−14 であり、分数式は両端で
0 に近づく。
復習: 有理関数:漸近線とグラフ
問 9f(x)=x2+6x のグラフの、x が −∞ に近づくときの漸近線はどれか。
これは
x が
∞ に近づくときの漸近線である。絶対値の大きい負の
x に対しては
(x+3)2=∣x+3∣=−(x+3) である。さらに、平方根は決して負にならないが、直線
y=x+3 は
x<−3 で負になる。
平方完成から来る定数項が抜けている。関数と
−x の差は
−3 に近づき、
0 には近づかない。
平方完成により
x2+6x=(x+3)2−9 であり、根号は
∣x+3∣ に近づき、これは
x<−3 のとき
−x−3 である。差
x2+6x−∣x+3∣ は
x2+6x+∣x+3∣−9 であり、
0 に近づく。
復習: 根号を含む関数:定義域・符号・グラフ
問 10タンクに 50 リットルの水が入っていて、1 リットルあたり 4 グラムの砂糖を含む。ある時刻から、液体を流出させずに、毎分 2 リットルの割合で、1 リットルあたり 30 グラムの砂糖を含むシロップを加え、これはすぐに混ざる。その時刻以降、砂糖の濃度(1 リットルあたりのグラム数)はどんな値をとるか。
直線
y=30 は水平漸近線である。分数式
25+t650 は決して
0 にならないので、混合液が入ってくるシロップの濃度になることはない。
タンクにはじめから入っていた砂糖を忘れ、純水であるかのように扱っている。はじめの時刻の濃度は
4 であって
0 ではなく、そこから増加する。
二つの濃度
4 と
30 を、同じ体積を混ぜるかのように平均している。加えるシロップの体積は限りなく増え、その濃度が最終的に混合液を支配する。
t 分後には、
200+60t グラムの砂糖が
50+2t リットルの中にある。
c(t)=50+2t200+60t=30−25+t650。分数式は
26 から
0 に向かって減少し、決して零にならない。濃度は
c(0)=4 から増加して、入ってくるシロップの濃度
30 に近づくが、到達しない。
復習: 有理関数:漸近線とグラフ
問 11前の単元から不等式 ∣2x−3∣<5 の解の集合はどれか。
これは
∣2x−3∣>5 の解である。
5 より小さい絶対値は
23 に近い点を表し、それらは区間をなす。
この不等式は
−5<2x−3<5 と同値である。
3 を加えて
2 で割ると
−1<x<4 となる。
復習: 実数直線:順序・区間・絶対値
問 12前の単元から27−32 を計算せよ。
正しい答え: 91
定義により
2732=(327)2=9 であり、負の指数は逆数を表す。
27−32=91。
−9 を得た人は、指数の符号を結果の符号と読み違えている。
復習: 有理数の指数と累乗根
問 13前の単元から不等式 3x−1−22x+1≥1 の解の集合はどれか。
二番目の分数の前にある負の符号は、その分子全体にかかる。
−3(2x+1)=−6x−3 であって、
−6x+3 ではない。
正の数
6 を掛けると
2(x−1)−3(2x+1)≥6、すなわち
−4x−5≥6 となる。
−4 で割ると不等号の向きが逆になる。
x≤−411。
復習: 一次方程式・一次不等式と連立一次方程式
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