2次方程式と虚数解

解の範囲を複素数まで考えた場合の2次方程式についてみていきます。

 

2次方程式\(ax^2+bx+c=0\)の解き方 (\(a,b,c\)は実数)

①因数分解
②\(k>0\)とする。
\(x^2=k\) の解は \(x=±\sqrt{k}\)
\(x^2=-k\) の解は \(x=±\sqrt{k}i\)
③解の公式の利用
\(x=\displaystyle\frac{-b±\sqrt{b^2-4ac}}{2a}\)

 

(解説)

\(x^2=-k\) について、解は2乗すると\(-k\)(負の数)になる数なので、\(-k\)の平方根。
つまり\(x=±\sqrt{k}i\)
結局\(x^2=k\)のときと同じように、\(x=±\sqrt{-k}\)とできることになる。・・・(※)

 

③について、解の公式は複素数まで考えた場合においても成り立ちます。

\(ax^2+bx+c=0\) (\(a≠0)\) のとき、両辺\(a\)で割り、左辺を平方完成して整理すると
\((x+\displaystyle\frac{b}{2a})^2=\displaystyle\frac{b^2-4ac}{4a^2}\)

ここで(※)より、\(b^2-4ac\)が負であっても平方根を求めることができ

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

\(x+\displaystyle\frac{b}{2a}=±\displaystyle\frac{\sqrt{b^2-4ac}}{\sqrt{4a^2}}\)・・・(注)

\(x+\displaystyle\frac{b}{2a}=±\displaystyle\frac{\sqrt{b^2-4ac}}{2|a|}\)

ここで、
\(a>0\)のとき \(2|a|=2a\)
\(a<0\)のとき \(2|a|=-2a\) だから
\(a\)の正負に関係せず

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

よって
\(x=\displaystyle\frac{-b±\sqrt{b^2-4ac}}{2a}\)

 

特に\(x\)の係数が\(2×□\)のとき、\(b=2b’\)とすると
\(x=\displaystyle\frac{-2b’±\sqrt{4b’^2-4ac}}{2a}\)

\(=\)\(\displaystyle\frac{-b’±\sqrt{b’^2-ac}}{a}\)

 

(注)について
一般に複素数の範囲では \(\sqrt{\displaystyle\frac{q}{p}}=\displaystyle\frac{\sqrt{q}}{\sqrt{p}}\) は成り立ちませんが、\(p>0\)のときは成り立ちます。
(ア)\(q≧0\)のときは両辺実数であり成り立つ
(イ)\(q<0\)のときは
(左辺)\(=\sqrt{\displaystyle\frac{-q}{p}・(-1)}=\sqrt{\displaystyle\frac{-q}{p}}i\)\(=\displaystyle\frac{\sqrt{-q}}{\sqrt{p}}i\)
(右辺)\(=\displaystyle\frac{\sqrt{-q・(-1)}}{\sqrt{p}}\)\(=\displaystyle\frac{\sqrt{-q}}{\sqrt{p}}i\)
(\(-q>0\) より)

 

 

長々書きましたが、解を複素数の範囲まで考えた場合も、実数範囲と同様に処理すればよいということです。根号の中身が負になる場合は、\(\sqrt{-1}=i\)とすればよいだけです。

 

 

(例題)次の2次方程式を解け。
(1)\(4x^2=-1\)
(2)\(2x(3-x)=2x+3\)
(3)\((\sqrt{2}-1)x^2+x+(\sqrt{2}+1)=0\)

 

すぐに解けない、因数分解できない場合には最終手段として解の公式を使いましょう。

(解答)
(1)
\(x^2=-\displaystyle\frac{1}{4}\)
よって
\(x=±\sqrt{\displaystyle\frac{1}{4}}i\)
\(x=±\displaystyle\frac{1}{2}i\)

 

(2)
\(6x-2x^2=2x+3\) より
\(2x^2-4x+3=0\)

解の公式から \(b’=-2\)として
\(x=\displaystyle\frac{2±\sqrt{4-6}}{2}\)
\(=\)\(\displaystyle\frac{2±\sqrt{2}i}{2}\)

 

(3)
\(x^2\)の係数を簡単にする方法をとると

両辺に\(\sqrt{2}+1\)をかけて
\(x^2+(\sqrt{2}+1)x+(\sqrt{2}+1)^2=0\)

解の公式から
\(x=\displaystyle\frac{-(\sqrt{2}+1)±\sqrt{(\sqrt{2}+1)^2-4(\sqrt{2}+1)^2}}{2}\)

\(=\displaystyle\frac{-(\sqrt{2}+1)±\sqrt{-3(\sqrt{2}+1)^2}}{2}\)

\(=\displaystyle\frac{-(\sqrt{2}+1)±\sqrt{3}(\sqrt{2}+1)i}{2}\)

\(=\)\(\displaystyle\frac{-(\sqrt{2}+1)±(\sqrt{6}+\sqrt{3})i}{2}\)

 

※与式のまま解の公式を利用すると
\((\sqrt{2}-1)x^2+x+(\sqrt{2}+1)=0\) より

\(x=\displaystyle\frac{-1±\sqrt{1-4・1}}{2(\sqrt{2}-1)}\)

\(=\displaystyle\frac{-1±\sqrt{3}i}{2(\sqrt{2}-1)}\)

\(=\displaystyle\frac{(-1±\sqrt{3}i)(\sqrt{2}+1)}{2(\sqrt{2}-1)(\sqrt{2}+1)}\)

\(=\displaystyle\frac{-(\sqrt{2}+1)±\sqrt{3}(\sqrt{2}+1)i}{2}\)

\(=\)\(\displaystyle\frac{-(\sqrt{2}+1)±(\sqrt{6}+\sqrt{3})i}{2}\)

 

 

 

 

以上になります。お疲れさまでした。
ここまで見て頂きありがとうございました。
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