質問<2043>
「「3次方程式」」
日付 2004/11/4
質問者 なぎ史


f(x)=4\(x^{3}\)-4a\(x^{2}\)+(\(a^{2}\)+3)x+\(a^{2}\)+4a+7
の時,
(1)任意のaについてf(m)=0が成り立つ実数mを求めよ.
(2)三次方程式f(x)=0の3つの解を複素平面上に
図示するとき,それらが正三角形となるようにaを求めよ.

の2問,教えてください.

(1)の条件を満たすということはつまり,
3次方程式の判別式D>0という考えでよろしいのでしょうか?
また3次方程式の判別式は,
  D=-4\(a^{3}\)-27\(b^{2}\)
でいいのですか?

★希望★完全解答★

お便り
日付 2004/11/6
回答者 honda


問題文が怪しいですね
たぶん,aは実数という条件がもれているように
思いますので,aは実数と仮定します.

(1)
f(x)=-4a(\(x^{2}\)-1)+\(a^{2}\)(x+1)+4\(x^{3}\)+3x+7
なので,任意のaに対してf(m)=0を満たすのは
\(x^{2}\)-1=0,x+1=0,4\(x^{3}\)+3x+7=0の共通解
よって,m=-1

(2)
f(x)=(x+1){4\(x^{2}\)-4(a+1)x+\(a^{2}\)+4a+7}
4\(x^{2}\)-4(a+1)x+\(a^{2}\)+4a+7=0の実数解をもつならば
-1とそれらの実数解が正三角形をなすことはない.
よって,実数解をもたない
(実数係数の2次方程式は,
実数解をもてばほかの解も実数であることに注意)
また,実数係数なので,
4\(x^{2}\)-4(a+1)x+\(a^{2}\)+4a+7=0の虚数解\alpha,\betaは
互いの共役なので,
それぞれ,\alpha=b+ci,\beta=b-ciとおける
3点-1,\alpha,\betaが正三角形をなす条件は
|\alpha+1|=|\beta+1|=|\alpha-\beta|・・・(A)
である.
解と係数の関係より
2b=\alpha+\beta=a+1
\(b^{2}\)+\(c^{2}\)=\alpha\beta=(4a+7)/4
(A)より
(b+1\()^{2}\)+\(c^{2}\)=4\(c^{2}\)・・・(B)
すなわち
(b+1\()^{2}\)=3\(c^{2}\)
そこでb=(a+1)/2,\(c^{2}\)=(4a+7)/4 - \(b^{2}\)によって,
(B)からbとcを消去すると
(a+3\()^{2}\)/4 = (-3\(a^{2}\)+6a+18)/4
これをといて
a=\(\frac{3}{2}\),-\(\frac{3}{2}\)

-------------------------------
>(1)の条件を満たすということはつまり,
>3次方程式の判別式D>0という考えでよろしいのでしょうか?

ということでこれは違います.
判別式とは何も関係ありません.
そもそも判別式は
その方程式が重解をもつか否かを判別するだけの
もので,それがたまたま
実数係数でかつ二次方程式のときのみ
実数解か虚数解かまで判別できるというだけの
ことなのです.
なお,一般のn次の代数方程式の
判別式というのは
解を\(a_{1}\),\(a_{2}\),...,\(a_{n}\)として
(\(a_{i}\)-\(a_{j}\)\()^{2}\)をすべての異なるi,j (i<j)に対して
掛け算したもので,
二次方程式の場合は
(\alpha-\beta\()^{2}\)
=(\alpha+\beta\()^{2}\)-4\alpha\beta
=\(b^{2}\)/\(a^{2}\) - 4 \(\frac{c}{a}\)
=(\(b^{2}\)-4ac)/\(a^{2}\)
となって,普通の判別式と同様になります.
3次のときは,
2次の項の係数が0のときに
-4\(a^{3}\)-27\(b^{2}\)
と同様のものになりますが
ほとんど使えません.

お便り
日付 2004/11/6
回答者 風あざみ


(1)
任意のaに対して
4\(m^{3}\)-4a\(m^{2}\)+(\(a^{2}\)+3)m+\(a^{2}\)+4a+7=0
になっているので、4\(m^{3}\)-4a\(m^{2}\)+(\(a^{2}\)+3)m+\(a^{2}\)+4a+7=0がaに関する恒等式に
なっていることがわかります。

4\(m^{3}\)-4a\(m^{2}\)+(\(a^{2}\)+3)m+\(a^{2}\)+4a+7をaについて整理すると
(m+1)\(a^{2}\)+(4-4\(m^{2}\))a+4\(m^{3}\)+3m+7=0となります。

(m+1)\(a^{2}\)+(4-4\(m^{2}\))a+4\(m^{3}\)+3m+7=0がaに関する恒等式なので、mは
m+1=0…{1}
4-4\(m^{2}\)=0…{2}
4\(m^{3}\)+3m+7=0…{3}
{1}を解くとm=-1
{2}を解くとm=\(\pm\)1
{3}を解くとm=-1、(1\(\pm\)\(\sqrt{\quad}\)6i)/2(iは虚数単位)
共通する解はm=-1
したがって、求めるmはm=-1である。

(2)
(1)よりx=-1はf(x)=0の解だから、f(x)は
f(x)=(x+1){4\(x^{2}\)-(4a+4)x+\(a^{2}\)-4a+7}
と因数分解される。
したがって、f(x)=0の解はx=-1と4\(x^{2}\)-(4a+4)x+\(a^{2}\)-4a+7=0の解で
あることがわかる。

4\(x^{2}\)-(4a+4)x+\(a^{2}\)-4a+7=0の解が実数だと仮定すると、f(x)=0の解は
複素平面で線分となって不合理。

4\(x^{2}\)-(4a+4)x+\(a^{2}\)-4a+7=0の解は共役な複素数
u+vi、u-vi(u,vは実数、iは虚数単位)

解と係数の関係より
(u+vi)+(u-vi)=4(a+1)/4…{4}
(u+vi)*(u-vi)=(\(a^{2}\)-4a+7)/4…{5}

u+vi、u-viと-1が複素平面で正三角形になるので
\(\sqrt{\quad}\){(u+1)+\(v^{2}\)}=\(\sqrt{\quad}\){(u+1\()^{2}\)+(-v\()^{2}\)}=(2v\()^{2}\)…{6}
{4},{5},{6}を整理して
a=2u-1…{7}
4\(u^{2}\)+4\(v^{2}\)=\(a^{2}\)-4a+7…{8}
(u+1\()^{2}\)=3\(v^{2}\)…{9}
{7}を{8}に代入して、aを消去して整理すると
\(v^{2}\)=3-3u…{10}
{10}を{9}に代入して、vを消去して整理すると
\(u^{2}\)+11u-8=0…{11}
{11}を解くとu=(-11士3\(\sqrt{\quad}\)17)/2…{12}
{12}を{10}に代入すると
v=\(\sqrt{\quad}\)(39干9\(\sqrt{\quad}\)17)/2
{12}を{7}に代入するとa=-12士3\(\sqrt{\quad}\)17

従って、求めるaの値はa=-12\(\pm\)3\(\sqrt{\quad}\)17です。

お便り
日付 2004/11/10
回答者 honda


2043(2)
解と係数の関係でミスしてますね(^^;
方針は風あざみさんとまったく同じです.

実際に計算はしてないですが
aが実数という条件がなくてもよさそうです.
4\(x^{2}\)-4(a+1)x+\(a^{2}\)+4a+7=0の虚数解\alpha,\betaに
に対して
\alpha+1=((1+-\sqrt{3}i)/2) * (\beta+1)
を解と係数の関係のもとで解けばよいでしょうね