2019-12-05

今週のドラゴン桜2(83限目)の数学問題

問題

  • 第2問: 整数係数の2次式f(x)と、1次式g(x)がある。f(x)のx^2の係数は1であり、|f(x)|=|g(x)|を満たす実数xは1,2,3のみであるf(x)とg(x)を求めよ。

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解答

整数a,b,c,dとし、

  • f(x) = x^2 + a x + b
  • g(x) = c x + d
  • c != 0

とする。さらに、

  • |f(1)| = |g(1)|
  • |f(2)| = |g(2)|
  • |f(3)| = |g(3)|

である

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上記絶対値の等式より、

  • f(1) = ±g(1)
  • f(2) = ±g(2)
  • f(3) = ±g(3)

であるが、f(x)は2次式の曲線であり、1次式のg(x)、-g(x)の直線とは、どちらも3点で交わることはない。

よって、この等式は、g(x)につく符号はすべて+、もしくは、すべて-になることはない。

この等式のf(x)とg(x)をx=1,2,3でそれぞれ展開すると、

  • 1+a+b = ±(c+d)
  • 4+2a+b = ±(2c+d)
  • 9+3a+b = ±(3c+d)

ただし右辺のcとdは変数であるため、変数の算出時には右辺に付く+と-は入れ替えることができる。

よって、この3等式のうち、1つの等式のみのgに付く符号が違う、3パターンのみ考えれば良い。

また、3等式から4変数を求めるため、4変数パラメータ変数を含む値になる。

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x=1の等式で、符号が違うパターン
  • 1+a+b = c+d
  • 4+2a+b = -(2c+d)
  • 9+3a+b = -(3c+d)

1つ目と2つ目の等式より

  • d=4a+3b+6
  • c=-3a--2b-5

この値を3つ目の等式に代入することで、

  • b=-a

が得られる。

nを整数とし、a=n とすると

  • a = n
  • b =-n
  • c =-n-5
  • d = n+6

まり

  • f(x) = x^2 + n x - n
  • g(x) = (-n-5)x + n+6

である

この式にx=1,2,3をそれぞれ代入すると、

  • f(1) = 1
  • g(1) = 1
  • f(2) = n+4
  • g(2) = -n-4
  • f(3) = 2n+9
  • g(3) = -2n-9

であり、問題の条件を満たしている。

しかし、f(x) = g(x)とすると、

  • (x-1)(2n+x+6) = 0

より、x=1もしくはx=-2n-6のときに成立する。

となる。n=-4ならx=2になるが、それ以外の整数nではxは1,2,3以外の整数になり条件を満たさない。

また、f(x)=-g(x)とすると、

  • (x-2)(x-3)=0

であり、x=2,3のときのみ成立する。

よって、n=-4のとき

  • f(x) = x^2 -4 x +4
  • g(x) = -x + 2

のみ条件が成立する。

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x=2の等式で、符号が違うパターン
  • 1+a+b = c+d
  • 4+2a+b = -2c-d
  • 9+3a+b = 3c+d

1つ目と2つ目の等式より

  • d=4a+3b+6
  • c=-3a--2b-5

この値を3つ目の等式に代入することで、

  • b=-2a-9/2

が得られるが、この等式を満たす整数a,bの組は存在しないので、この符号パターンにはならない。

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x=3の等式で、符号が違うパターン
  • 1+a+b = c+d
  • 4+2a+b = 2c+d
  • 9+3a+b = -3c-d

1つ目と2つ目の等式より

  • c=3+a
  • d=-2+b

この値を3つ目の等式に代入することで、

  • b=-3a-8

が得られる。

整数mとし、a=mとすると、

  • a=m
  • b = -3m-8
  • c = m+3
  • d = -3m-10

まり

である。この式にx=1,2,3をそれぞれ代入すると、

  • f(1) = -2m-7
  • g(1) = -2m-7
  • f(2) = -m-4
  • g(2) = -m-4
  • f(3) = 1
  • g(3) = -1

であり、問題の条件を満たしている。

f(x)=g(x)の場合

  • x^2-3x+2=0

より、これを満たすのはx=1,2のみである

一方、f(x)=-g(x)とすると、

  • (x-3)(x+2m+6) = 0

であり、これを満たすのは、x=3もしくは、x=-2m-6である

m=-4のとき、x=2となるが、それ以外の整数mではxは1,2,3以外の値になる。

よって、条件を満たすためにはm=-4でなくてはいけない。よって、

  • f(x) = x^2 -4x + 4
  • g(x) = -x +2

ただし、この式は先の式と同じ式である。これはf(2)=g(2)=0であるために起こった。

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以上より、問題を満たすf(x)、g(x)は、

  • f(x) = x^2 -4x + 4
  • g(x) = -x +2

である

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