恒等式 関連問題
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という等式は、
と
のときに限って成り立つ式です。特定のxの値についてだけ成り立つ式を方程式と言います。
それに対して、
という等式は、xにいかなる実数を代入しても成り立ちます。このような等式を恒等式と言います。
もちろん、恒等式によっては、式として意味を持たないxの値(分母を0にするx,根号内を負にするxなど)を除いて考えるものがあります。
(方程式・不等式を参照)
例1.
がxについての恒等式 ⇔ 
[証明]
だとすると、
となり、等式:
を満たすxの値がただ1つに確定してしまいます。これでは、
が恒等式にならないので、
です。このとき、
逆に、
のとき、任意の実数xについて、
です。 (証明終)
例2.
がxについての恒等式 ⇔ 
[証明]
だとします。
・・・@ が、任意の実数xについて成立するから、異なる3個の値、
,
,
をxに代入したときに@が成立します。これは、2次方程式@の相異なる解の数が高々2個であるという事実に反します。よって、
このとき、
例1.により、
,よって、
逆に、
のときに、
例2.の証明を次のように行うこともできます。「任意の......」という表現があるときに、ある特定の値について成り立つとして、簡単な場合から条件を導き出すという技巧は、受験技巧として、超難問を攻略するときにしばしば使われる重要技巧です。
[例2.の証明]
・・・@ が任意の実数xに関して成り立つのだから、
においても成り立つ。
@において、
とすると、
・・・A
@において、
とすると、
・・・B
@において、
とすると、
・・・C
BをAに代入すると、
∴
・・・D
B,DをCに代入すると、
∴ 
Dより、
よって、
これだけでは、証明になっていません。なぜなら、xの特別な値、
についてしか調べていないからです。
としていくと成り立たないかも知れません。
上でやってきたことは、“
がxについて恒等式 ⇒
”,つまり、“
”が、“
がxについて恒等式”の必要条件であることを示したに過ぎないのです。
従って、“
”が、“
がxについて恒等式”の十分条件であることも示さないと、“
がxについて恒等式 ⇔
” (矢印記号が、‘⇒'から‘⇔'に変わっていることに注意)を示したことにならないのです。
であれば、
であったとしても、@が成り立つことを示すために、以下の1行を証明につけておく必要があります。
であれば、
はxについて恒等式。 (証明終)
以上の証明で、なぜ、
にしたのか?という疑問を持つ人もいるかも知れません。別に、
でなければならないということはありません。
であっても構いません。ですが、わざわざ、
のとき、などとやると、人生をムダに過ごすことになります(たまには時間つぶしで回り道も気晴らしにいいかも知れませんが、入試会場では不可です)。つまり、
にしているのは、連立方程式を素早く解くためです。
例3.
がxについての恒等式 ⇔
かつ
かつ 
[証明]
がxについての恒等式
⇔
がxについての恒等式
⇔
(例2.より)
⇔
かつ
かつ
(証明終)
例4.
がxについて恒等式となるようにxの値を定めよ。
[解答] 右辺を通分して分母を揃えた上で、分子が上記の恒等式の条件を満たすようにします。




これがxについて恒等式となるために、分子を比較して、
・・・@,
・・・A,
・・・B
B−@より、
・・・C
A−Cより、
∴ 
Aより、
@より、
,
,
......[答]
(1)
が、任意の実数x,yについて成立する ⇔ 
(2)
が任意の実数xについて成立する
⇔ 
(3)
が、任意の実数x,yについて成立する ⇔ 
(4)
が、任意の実数θについて成立する ⇔ 
[証明](1)
と仮定すると、
となりyの1つの値に対してxの値が1つに確定してしまいます。
これでは、任意の実数x,yについて
が成立するという条件に反します。
∴
,
yは0以外の値も取り得るので、
,よって、
逆に、
のとき、明らかに、任意の実数x,yについて、
が成立します。 (証明終)
(2)
と仮定すると、
・・・@ が任意の実数xについて成立するから、相異なる
個の実数
について@が成立します。これは、n次方程式@の相異なる解が高々n個であるという事実に反します。
∴ 
以下、同様にして、
逆に、
のとき、明らかに、任意の実数xについて、
が成立します。 (証明終)
(3)
をxについて整理すると、
この等式が任意の実数xについて成立するから、
こでが任意の実数yについて成立するから、
逆に、
のとき、明らかに、任意の実数x,yについて、
が成立します。 (証明終)
(4)
,αは、
,
を満たす角。
は
であるいろいろな値をとるので、
∴ 
逆に、
のとき、
(証明終)
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