Algebra · real student question

P(x) を 4 次多項式とし、P(1) = 1, P(2) = 5, P(3) = 9, P(4) = 13, P(5) = 1 とする。P(x) の解の和を求めよ。

Question

P(x)P(x) を次の条件を満たす 44 次の多項式とする。

P(1)=1,P(2)=5,P(3)=9,P(4)=13,P(5)=1P(1)=1,\quad P(2)=5,\quad P(3)=9,\quad P(4)=13,\quad P(5)=1

このとき P(x)P(x) の解の和を求めよ。

Step-by-step solution

  1. 代数に入る前に、与えられた値のパターンを探す。 はじめの 4 つの値 1,5,9,131,5,9,1344 ずつ増えているので、直線

    L(x)=4x3L(x)=4x-3

    上にある。実際 4(1)3=14(1)-3=14(2)3=54(2)-3=54(3)3=94(3)-3=94(4)3=134(4)-3=13 である。パターンから外れるのは 5 番目の P(5)=1P(5)=1 だけである(直線なら 1717 になるはず)。

  2. パターンを引いて既知の解を作り出す。

    Q(x)=P(x)(4x3)Q(x)=P(x)-(4x-3)

    とおくと Q(1)=Q(2)=Q(3)=Q(4)=0Q(1)=Q(2)=Q(3)=Q(4)=0 になる。11 次式を引いても 44 次の最高次の項は変わらないので QQ は依然として 4 次式であり、4 つの解が分かっている 4 次式は定数倍を除いて完全に決まる:

    Q(x)=a(x1)(x2)(x3)(x4),a0Q(x)=a(x-1)(x-2)(x-3)(x-4),\qquad a\neq 0

  3. PP を明示的に書く。 引き算をもとに戻すと

    P(x)=4x3+a(x1)(x2)(x3)(x4)P(x)=4x-3+a(x-1)(x-2)(x-3)(x-4)

    この 1 本の式で 5 つの条件のうち 4 つがすでに表されている。残る 1 つが aa を決める。

  4. P(5)=1P(5)=1 から aa を求める。 x=5x=5 を代入すると:

    1=4(5)3+a(4)(3)(2)(1)=17+24a1=4(5)-3+a(4)(3)(2)(1)=17+24a

    24a=16a=2324a=-16\qquad\Longrightarrow\qquad a=-\frac{2}{3}

  5. 解と係数の関係を使うと aa が消える。 P(x)=Ax4+Bx3+P(x)=Ax^4+Bx^3+\dots に対し、解の和は BA-\dfrac{B}{A} である。上位 2 項だけ展開すると

    (x1)(x2)(x3)(x4)=x4(1+2+3+4)x3+=x410x3+(x-1)(x-2)(x-3)(x-4)=x^4-(1+2+3+4)x^3+\cdots=x^4-10x^3+\cdots

    なので A=aA=aB=10aB=-10a である(後ろの 4x34x-3 はこの 2 つの係数に影響しない)。したがって

    BA=10aa=10-\frac{B}{A}=-\frac{-10a}{a}=10

    aa は約分されて消える。a=23a=-\tfrac{2}{3} を求めたのは有用な確認だったが、答えに必要なのは a0a\neq 0 だけであり、それは PP44 次であることから保証されている。

  6. 答えを述べる。 PP の 4 つの解の和は

    10\boxed{10}

    実際の多項式 P(x)=23x4+203x3703x2+1123x19P(x)=-\tfrac{2}{3}x^4+\tfrac{20}{3}x^3-\tfrac{70}{3}x^2+\tfrac{112}{3}x-19 で確かめると、与えられた 5 つの値をすべて再現し、20/32/3=10-\tfrac{20/3}{-2/3}=10 となる。

Answer

1010

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