【数Ⅱ高次方程式】解の一つが与えられた４次方程式の解き方と因数定理の仕組み
$x^4+6x^3+29x^2-28x+35=0$
の解の一つが $\cfrac{1+\sqrt{3}i}{2}$ のとき，残りの解をすべて求めよ。
これどうやって解こうか？
$x$ に数字入れて 0 にするんですよね。
確かにその方法あるけど，今回は $x$ に 1 とか －1 とか代入しても左辺が 0 にならない。ようするに，そのときの 1 とか －1 とかって解の一つってことだよね。でも今回は解の一つとして $\cfrac{1+\sqrt{3}i}{2}$ が与えられている。だから，それを使ってみる。
はあ。
複素数の解の性質
一般にある高次方程式の解の一つが複素数であるとき，その共役な複素数も解である。
これ，教科書で習うヤツ。
ああ，何となく覚えあるかも。
ということは $\cfrac{1-\sqrt{3}i}{2}$ も解であるといえる。４次方程式は解が４つできるはずだから，あと二つを求めればよい。
でも因数定理使えないですよ。
共役な複素数を因数定理に当てはめる
実はここから因数定理を使う。
$f(x)=\Big(x-\cfrac{1+\sqrt{3}i}{2}\Big)\Big(x-\cfrac{1-\sqrt{3}i}{2}\Big)Q(x)=0$
ここで $Q(x)$ は割り算したときの商を表すヤツ。
これどういうことでしたっけ？
$x$ に $\cfrac{1+\sqrt{3}i}{2}$ を代入すると最初のカッコが $\Big(\cfrac{1+\sqrt{3}i}{2}-\cfrac{1+\sqrt{3}i}{2}\Big)$ ってなって 0 になる。0 のかけ算だから式全体が 0 になる。$\cfrac{1-\sqrt{3}i}{2}$ のときも同様で $x$ にこれを代入すると，今度は真ん中のカッコが 0 になるよね。
なりますね。
で，これはもとの式を $\Big(x-\cfrac{1+\sqrt{3}i}{2}\Big)\Big(x-\cfrac{1-\sqrt{3}i}{2}\Big)$×(式) の形に因数分解できるって意味なの。これが因数定理。
何かピンとこない。
因数定理の仕組み
例えば $x^2-3x+2=0$ という方程式があったとする。これは $(x-1)(x-2)=0$ と因数分解して $x=1,2$ が解になる。言い換えると，式に $x=1$ を代入すると $(1-1)(1-2)=0$ ってなって恒等式が成り立つ。だから，$x=1$ は解であるっていう解釈だった。
でしたね。
これは逆に言うと，方程式は($x$－解)で割り切れるってことでもあるよね。これも例えばだけど，式を解じゃない数，$(x-3)$ で割ってみる。実際ひっ算でやってみると，商が $x$ で余り 2 になる。つまり$x^2-3x+2=(x-3)x+2=0$となるよね。
なりますね。
ここから分かるのは，解じゃない数を使って割っても余りがでる，つまり割り切れないってこと。
なんで割り切れないの？
解である 1 や 2 を代入しても $(x-3)x$ は $(1-3)\times1$ とか $(2-3)\times2$ になるから 0 にならないでしょ？ だから余りの項があって，それを足すか引くかしないと式全体で 0 にはならない。
でも，式を $(x-1)$ で割れば $(x-1)Q(x)$ ってなって，$Q(x)$ がどんな式だろうと $x=1$ を代入すれば式は 0 になる。つまり，余りの項がいらない。「余りがない＝割り切れる」っていう理屈。
確かに。でも分かりにくい。
そうそう。因数定理って三次方程式解くときよく使うけど，理屈自体は直感的に分かりにくいよね。
だからとりあえず，方程式は解が分かってると ($x$－解)の積に直せるってのだけ覚えて，そういうものだと納得するもの。細かいことは気にしない。
りょーかいです。
ひっ算で割ってみる
$f(x)=\Big(x-\cfrac{1+\sqrt{3}i}{2}\Big)\Big(x-\cfrac{1-\sqrt{3}i}{2}\Big)Q(x)=0$
展開して
$\Big\{x^2-\Big(\cfrac{1+\sqrt{3}i}{2}+\cfrac{1-\sqrt{3}i}{2}\Big)x+\cfrac{1+\sqrt{3}i}{2}\cdot\cfrac{1-\sqrt{3}i}{2}\Big\}Q(x)=0$
$\Big\{x^2-\cfrac{1+\sqrt{3}i+1-\sqrt{3}i}{2}x+\cfrac{(1+\sqrt{3}i)(1-\sqrt{3}i)}{4}\Big\}Q(x)=0$
$\Big\{x^2-\cfrac{2}{2}x+\cfrac{1-(\sqrt{3})^2(-1)}{4}\Big\}Q(x)=0$
$(x^2-x+1)Q(x)=0$
ここ計算ミスしやすいから注意。
再びさっきの式に戻るけど，実際にひっ算使って割っていく。理屈からすれば割り切れるはず。
よって
$f(x)=(x^2-x+1)(x^2+7x+35)=0$
で，ここから？
これがイコール 0 になる場合だから，$x^2-x+1=0$ または $x^2+7x+35=0$ ということになる。あとは普通に二次方程式を公式放り込んで解けばよい。
$x=\cfrac{1\pm\sqrt{3}i}{2}$，$\cfrac{-7\pm\sqrt{91}i}{2}$
因数定理の式作るところまでいったらあとは大したことないかも。
そうそう，解が二つ分かったとき ($x$－解)($x$－解)×$Q(x)$ の形がひらめくかどうかの問題。経験値ためてレベルアップしてね。
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