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数学II

しき証明しょうめいこう定理ていり多項式たこうしき除法じょほう等式とうしき不等式ふとうしき証明しょうめい

最終確認日:

このしょうまなぶこと

高校こうこう数学すうがく II の出発しゅっぱつてんとなるしょうです。 数学すうがく I でまなんだ 展開てんかい因数いんすう分解ぶんかい実数じっすうちから土台どだいに、 ここでは 「しき自在じざいにあつかう道具どうぐ」 と 「論理ろんりてき主張しゅちょうしめ作法さほう」 をにつけます。

  • 二項定理にこうていりパスカルの三角形パスカルのさんかっけい使つかって (a+b)n(a+b)^n展開てんかいできる
  • 多項式たこうしき除法じょほう (f(x)÷g(x)=q(x)+r(x)/g(x)f(x) \div g(x) = q(x) + r(x)/g(x)) と 剰余の定理じょうよのていり理解りかいする
  • 恒等式こうとうしき意味いみ係数けいすう比較ひかくほう使つかえる
  • 等式とうしき不等式ふとうしき証明しょうめい基本きほん (る・同値どうち変形へんけい場合ばあいけ) をにつける
  • 相加平均と相乗平均そうかへいきんとそうじょうへいきん関係かんけい不等式ふとうしき証明しょうめい活用かつようする

ポイント: 数学すうがく I までは 「計算けいさんする」 が中心ちゅうしんでした。 数学すうがく II では 「しめ」 がくわわります。 「あきらか」 とおもっても、 等号とうごうのつなぎかたひとつで厳密げんみつさがわるのが証明しょうめい世界せかいです。

1. こう定理ていり

こう展開てんかい公式こうしき

(a+b)2=a2+2ab+b2(a+b)^2 = a^2 + 2ab + b^2(a+b)3=a3+3a2b+3ab2+b3(a+b)^3 = a^3 + 3a^2b + 3ab^2 + b^3 のように、 (a+b)n(a+b)^n展開てんかい各項かくこう係数けいすう二項係数にこうけいすう (nk)\binom{n}{k} (nCk_nC_k ともく) であらわせます。

(a+b)n=k=0n(nk)ankbk=(n0)an+(n1)an1b++(nn)bn(a+b)^n = \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} a^{n-k} b^k = \binom{n}{0}a^n + \binom{n}{1}a^{n-1}b + \cdots + \binom{n}{n}b^n

これを 二項定理にこうていり といいます。

パスカルの三角形さんかくけい

こう係数けいすう(nk)\binom{n}{k}パスカルの三角形パスカルのさんかっけい視覚しかくてきもとめられます。 となりあうすうしたかずになります。

nn係数けいすうなら
0011
111  11\;1
221  2  11\;2\;1
331  3  3  11\;3\;3\;1
441  4  6  4  11\;4\;6\;4\;1
551  5  10  10  5  11\;5\;10\;10\;5\;1

例題れいだい

問題もんだい解法かいほう
(x+2)4(x+2)^4展開てんかいせよ(40)x4+(41)x32+(42)x24+(43)x8+(44)16=x4+8x3+24x2+32x+16\binom{4}{0}x^4 + \binom{4}{1}x^3\cdot 2 + \binom{4}{2}x^2\cdot 4 + \binom{4}{3}x\cdot 8 + \binom{4}{4}\cdot 16 = x^4 + 8x^3 + 24x^2 + 32x + 16
(2xy)5(2x-y)^5x2y3x^2y^3係数けいすう(53)(2x)2(y)3=104(1)x2y3=40x2y3\binom{5}{3}(2x)^2(-y)^3 = 10 \cdot 4 \cdot (-1) x^2y^3 = -40x^2y^3係数けいすう40-40

やってみよう: (x+1)6(x+1)^6x3x^3係数けいすうもとめよ。 (答えこたえ: (63)=20\binom{6}{3}=20)

多項たこう定理ていり (発展はってん)

(a+b+c)n(a+b+c)^n展開てんかいしたとき、 apbqcra^p b^q c^r (p+q+r=np+q+r=n) の係数けいすうn!p!q!r!\dfrac{n!}{p!\,q!\,r!} であらわせます。 これを 多項定理たこうていり といいます。

2. 整式せいしき除法じょほう分数ぶんすうしき

整式せいしきざん

整式せいしきAA整式せいしきBB (B0B \neq 0) でわれると、 商QQあまRRもちいてつぎのようにかけます。 ただし degR<degB\deg R < \deg B

A=BQ+RA = B \cdot Q + R

筆算ひっさんいちずつ次数じすうげて計算けいさんします。

例題れいだい

x32x2+5x^3 - 2x^2 + 5x1x - 1われる:

段階だんかい結果けっか
x3÷x=x2x^3 \div x = x^2しょうだい 1 項x2x^2
x2(x1)=x3x2x^2(x-1) = x^3 - x^2あまx2+5-x^2 + 5
x2÷x=x-x^2 \div x = -xしょうだい 2 項x-x
x(x1)=x2+x-x(x-1) = -x^2 + xあまx+5-x + 5
x÷x=1-x \div x = -1しょうだい 3 項1-1
1(x1)=x+1-1(x-1) = -x + 1あま44

よって x32x2+5=(x1)(x2x1)+4x^3 - 2x^2 + 5 = (x-1)(x^2 - x - 1) + 4

分数ぶんすうしき

分母ぶんぼ分子ぶんし整式せいしきかたち分数式ぶんすうしき といい、 通分つうぶん約分やくぶん四則しそく普通ふつう分数ぶんすうおなじようにできます。

1x+1x+1=(x+1)+xx(x+1)=2x+1x(x+1)\dfrac{1}{x} + \dfrac{1}{x+1} = \dfrac{(x+1)+x}{x(x+1)} = \dfrac{2x+1}{x(x+1)}

3. 恒等こうとうしき

恒等こうとうしきとは

文字もじにどんなあたいれても等式とうしき場合ばあい、 これを 恒等式こうとうしき といいます。 一方いっぽう特定とくていあたいでだけつのが 方程式ほうていしき です。

大事だいじ: x21=(x1)(x+1)x^2 - 1 = (x-1)(x+1)恒等こうとうしき (xxなにでもつ)。 x21=0x^2 - 1 = 0方程式ほうていしき (x=±1x = \pm 1 だけでつ)。

係数けいすう比較ひかくほう数値すうち代入だいにゅうほう

ax2+bx+cax2+bx+cax^2 + bx + c \equiv a'x^2 + b'x + c'恒等こうとうしきa=a,b=b,c=ca=a', b=b', c=c' (両辺りょうへんどう次数じすう比較ひかく)。

例題れいだい

1(x1)(x+2)=ax1+bx+2\dfrac{1}{(x-1)(x+2)} = \dfrac{a}{x-1} + \dfrac{b}{x+2}たす a,ba, bもとめよ。

両辺りょうへん(x1)(x+2)(x-1)(x+2) をかけて、 1=a(x+2)+b(x1)1 = a(x+2) + b(x-1)。 これは xx についての恒等こうとうしき

  • x=1x=1代入だいにゅう: 1=3a1 = 3aa=13a = \dfrac{1}{3}
  • x=2x=-2代入だいにゅう: 1=3b1 = -3bb=13b = -\dfrac{1}{3}

数値すうち代入だいにゅうほう注意ちゅうい: 代入だいにゅうもとめた a,ba, b は 「そのあたい等式とうしきつ」 だけで、 「すべての xx等号とうごうつ (恒等こうとうしき)」 とはかならずしもえません。 厳密げんみつには 未知数みちすう個数こすう + 1 以上いじょうあたい代入だいにゅうして必要ひつよう条件じょうけんしぼり、 最後さいご係数けいすう比較ひかくほう十分じゅうぶんせい確認かくにん する手順てじゅん安全あんぜんです。

やってみよう: 2x+3x(x+1)=ax+bx+1\dfrac{2x+3}{x(x+1)} = \dfrac{a}{x} + \dfrac{b}{x+1}もとめよ。 (答えこたえ: a=3,b=1a=3, b=-1)

4. 等式とうしき証明しょうめい

基本きほんなが

A=BA = Bしめせ」 とわれたら、 つぎのどれかを使つかいます。

  1. 左辺さへん変形へんけいして右辺うへんにする (一方いっぽうこう)
  2. 両辺りょうへんをそれぞれ変形へんけいしておなしきにそろえる
  3. AB=0A - B = 0しめ (る)

例題れいだい

a+b+c=0a + b + c = 0 のとき、 a3+b3+c3=3abca^3 + b^3 + c^3 = 3abcしめせ。

(証明しょうめい) c=(a+b)c = -(a+b) より、

a3+b3+c3=a3+b3(a+b)3a^3 + b^3 + c^3 = a^3 + b^3 - (a+b)^3 =a3+b3(a3+3a2b+3ab2+b3)=3ab(a+b)=3ab(c)=3abc= a^3 + b^3 - (a^3 + 3a^2b + 3ab^2 + b^3) = -3ab(a+b) = -3ab \cdot (-c) = 3abc。 □

5. 不等式ふとうしき証明しょうめい

基本きほん

ABA \geq Bしめすには、 AB0A - B \geq 0しめせばよい。 平方へいほう完成かんせいx20x^2 \geq 0つよ武器ぶきになります。

例題れいだい

a2+b22aba^2 + b^2 \geq 2abしめせ。

(証明しょうめい) a2+b22ab=(ab)20a^2 + b^2 - 2ab = (a-b)^2 \geq 0等号とうごう成立せいりつa=ba = b のとき。 □

相加平均そうかへいきん相乗そうじょう平均へいきん

a>0,b>0a > 0, b > 0 のとき、

a+b2ab(等号 は a=b の とき)\dfrac{a+b}{2} \geq \sqrt{ab} \quad \text{(等号 は } a = b \text{ の とき)}

これを 相加平均と相乗平均そうかへいきんとそうじょうへいきん関係かんけい (AM-GM 不等式ふとうしき) といい、 最小値さいしょうちもとめるのに使つかえます。

例題れいだい

x>0x > 0 のとき、 x+4xx + \dfrac{4}{x}最小値さいしょうちもとめよ。

x+4x2x4x=22=4x + \dfrac{4}{x} \geq 2\sqrt{x \cdot \dfrac{4}{x}} = 2 \cdot 2 = 4等号とうごうx=4xx = \dfrac{4}{x} すなわち x=2x = 2 のとき。 最小値さいしょうち44

やってみよう: x>0x>0 のとき 4x+1x4x + \dfrac{1}{x}最小値さいしょうちもとめよ。 (答えこたえ: 44x=12x=\dfrac{1}{2} で)

まとめ

  • 二項定理にこうていり(a+b)n(a+b)^n各項かくこう係数けいすうがわかる ((nk)\binom{n}{k})
  • 整式せいしき除法じょほうA=BQ+RA = BQ + R (degR<degB\deg R < \deg B) のかたちになる
  • 恒等式こうとうしき未定みてい係数けいすうは 「係数けいすう比較ひかく」 か 「数値すうち代入だいにゅう」 でもとめる
  • 等式とうしき不等式ふとうしき証明しょうめい は 「る」 「x20x^2 \geq 0」 「相加平均と相乗平均そうかへいきんとそうじょうへいきん」 がさんだい武器ぶき
  • 等号とうごう成立せいりつする条件じょうけんかならえる こと

しょう: だい 2 しょうでは 複素数ふくそすう高次方程式こうじほうていしきはいります。 二乗にじょうして 1-1 になる数ii導入どうにゅうし、 さんよん方程式ほうていしき因数いんすう定理ていりきます。

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