任意の実数aに対して、\(x^{3}\)-2x-a(\(x^{2}\)-1)=0は3つの実数解をもつことを示せという問題があるのですが、わからないので教えてください。
★希望★完全解答★
任意の実数aに対して、\(x^{3}\)-2x-a(\(x^{2}\)-1)=0は3つの実数解をもつことを示せという問題があるのですが、わからないので教えてください。
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こんばんは。3次関数=0、という方程式が3つの実解を持つ、というのをイメージと
してどう捕らえるかですね。
グラフを考えると(この場合は3次の係数>0ですから)、値が遠い左下(負の無限大)
からずーっと増えてきて、0を超えたところで減り始め、1回は0より小さくなってから、
また増え出して正の無限大へ、という形になれば実解3つになります。
つまり、3次関数の値が「負→正→負→正」と変化すれば〇K。これを数式でどう表現す
るか、と考えると、次のような回答が浮かびました。
(なおこういう時は、定数aの値に関係なく言えることはないか、と考えるのがコツの一
つです。具体的に解をaで表そう、などと考え出すと大変ですが、問題はそんな要求をして
いません。)
f(x)= \(x^{3}\)-2x-a(\(x^{2}\)-1)とおく。
f(-1)=1>0、f(1)=-1<0
(1と-1は、aでくくられたカッコの中が0になる値として選びました。これで、上で
説明した変化のまん中の部分「正→負」ができたわけです。)
一方、f(x)は3次の係数が正の3次関数であるから、
十分に大きな正の数K>1を一つ選んで、
f(-K)<0、f(K)>0 となるようにできる。
書き直すと
-K<-1<1<K
f(-K)<0、f(-1)=1>0、f(1)=-1<0、f(K)>0
である。
ここで、f(x)は連続関数であるから、中間値の定理(★これがこの回答のポイントです)
より
方程式 f(x)= 0は 開区間(-K、-1)、(-1、1)、(1、K)のそれぞれに、
少なくとも一つずつの実解を持つ。
つまり、実解の数は3個以上となる。一方、3次方程式が4つ以上の解を持つことはない。
よって、この方程式は3個の実解を持つ。