整数(有理数)となる平方根

 

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平方根で表された式が、整数や有理数となる条件に関する問題について見ていきます。

 

 

(例題1)
(1)\(\sqrt{126n}\) が自然数となるような、自然数\(n\)で最小のものを求めよ。
(2)\(\sqrt{\displaystyle\frac{275n}{126}}\) が有理数となるような最小の自然数\(n\)を求めよ。
(3)\(\sqrt{c^2+72}\) が整数となるような正の整数\(c\)をすべて求めよ。

 

 

 

 

(解答)
(1)

ルートの中身が (整数)\(^2\) となれば、整数となります。
素因数分解して、\(2\)乗の形になる最小の\(n\)を求めます。

\(126=3^2×2×7\) より
\(\sqrt{126n}=\sqrt{3^2・2・7n}\)\(=3\sqrt{2\cdot7n}\)

よって整数となる最小の自然数\(n\)は \(n=2×7=\)\(14\)

 

 

(2)

(1)と同様に、ルートの中身が\(□^2\)の形になる最小の\(n\)を探します。

\(275=5^2×11\)
\(126=3^2×2×7\) より
\(\sqrt{\displaystyle\frac{275n}{126}}\)\(=\sqrt{\displaystyle\frac{5^2\cdot11n}{3^2\cdot2\cdot 7}}\)\(=\displaystyle\frac{5}{3}\sqrt{\displaystyle\frac{11n}{2 \cdot 7}}\)

 

よって有理数となる最小の自然数\(n\)は
\(n=11×2×7=\)\(154\)

 

 

(3)

\(\sqrt{c^2+72}=k\) (\(k\)は自然数) とおいて
不定方程式の形にもちこみます。
最初からルートの中身が(整数)\(^2\)だから、\(c^2+72=k^2\) としてもよいです。

\(\sqrt{c^2+72}=k\) (\(k\)は自然数) とおける。
両辺2乗して
\(c^2+72=k^2\)
\(k^2-c^2=72\)
\((k+c)(k-c)=2^3・3^2\)・・・①

 

右辺は\(72\)で、約数全部を考えると大変なので左辺の積の項それぞれのとりうる値を絞ります。
まず、\(k+c\)は正の整数です。よって①より\(k-c\)も正の整数となります。
次に、\(k+c\)と\(k-c\)の大小関係と偶奇を調べます。
\((k+c)-(k-c)=2c>0\) より、\(k+c\)\(>k-c\)で、\(2c\)は偶数なので、偶奇は一致します。①の右辺は偶数なので、\(k+c\)と\(k-c\)はともに奇数となることはありえないので、両方偶数です。これでかなり絞られました。

 

負の数は、左辺の2つの項どちらも正なので考えなくてよく、正の整数の積だけ考えます。
まず\(k+c\) と \(k-c\) はともに偶数なので、右辺の因数のうち\(2^2\)の分がそれぞれに\(2\)が1個ずつ割り振られます。あと残りの\(2・3^2\) を\(k+c\)\(>k-c\)に注意して割り振ると、考えられる組合せは3通りしかありません。

 

ここで、\(k+c>0\) だから①より \(k-c>0\)
また、\((k+c)-(k-c)=2c>0\) より、\(k+c\)\(>k-c\)で、\(2c\)は偶数なので、偶奇は一致し、①の右辺は偶数なので、\(k+c\)と\(k-c\)はともに偶数である。

 

以上のことを踏まえると
(ア)\(k+c=2・2・3^2=36\) \(k-c=2\)
(イ)\(k+c=2・3^2=18\) \(k-c=2・2=4\)
(ウ)\(k+c=2・2・3=12\) \(k-c=2・3=6\)
の場合が考えられるので、それぞれを解くと
(ア)\(k=19\), \(c=17\)
(イ)\(k=11\), \(c=7\)
(ウ)\(k=9\), \(c=3\)

以上より、\(c=3,7,17\)

 

 

 

 

(例題2)

2次方程式 \(x^2-(m+1)x+2m-3=0\)・・・(A) について考える。
(1)(A)の2つの解がともに整数であるとき、\(m\)は整数であることを示せ。
(2)(A)の2つの解がともに整数であるような\(m\)の値を求めよ。

 

 

 

(解答)

(1)

解の公式を利用して、2解の和を求めてみます。
解の公式より(A)の解は
\(x=\displaystyle\frac{m+1±\sqrt{(m+1)^2-4(2m-3)}}{2}\)・・・①
2解を\(α,β\)とすると
\(α+β=m+1\)
\(α,β\) は整数なので、\(m\)も整数である。

 

 

解と係数の関係(数Ⅱ)でも、\(α+β=m+1\) という式が得られます。

 

 

(2)

解が整数となるには、ルートの中身が(整数)\(^2\)となることが必要です。
よって例題1の(3)のように解くことができます。例題1(3)と違って\(m\)の一次の項があるので、\(m\)の2次式を平方完成すると、因数分解の形が見えやすくなります。

(1)より2解が整数のとき、\(m\)も整数。
また、①より整数解をもつとき、平方根内が(整数)\(^2\) となる必要がある。
よって

\((m+1)^2-4(2m-3)=m^2-6m+13=k^2\)  (\(k\)は\(0\)以上の整数)
とおける。

\((m-3)^2+4=k^2\) より
\(k^2-(m-3)^2=4\)
\((k+m-3)(k-m+3)=4\)・・・②

ここで
\((k+m-3)-(k-m+3)=2m-6=2(m-3)\) より
\(k+m-3\)と\(k-m+3\)の偶奇は一致し、②よりともに偶数となる。

よって
(ア)\(k+m-3=2\) かつ \(k-m+3=2\)
または
(イ)\(k+m-3=-2\) かつ \(k-m+3=-2\) となり それぞれを解くと

(ア)\(k=2\), \(m=3\)  (イ)\(k=-2\),\(m=3\)

\(k≧0\) だから (ア)より\(m=3\)

このとき、①より2解は
\(x=\displaystyle\frac{3+1±\sqrt{4}}{2}\)
\(x=3,1\) となり整数となる。

 

したがって、\(m=3\)

 

 

 

 

 

 

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

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