Algebra · real student question

x = (√3 + 1)/(√3 − 1)、y = (√3 − 1)/(√3 + 1) のとき、x + y、xy、x^2 + y^2、x^3 + y^3、4x^2 + 7xy + 4y^2 の値を求めよ。

Question

次のように定める。

x=3+131,y=313+1.x=\frac{\sqrt3+1}{\sqrt3-1},\qquad y=\frac{\sqrt3-1}{\sqrt3+1}.

このとき x+yx+yxyxyx2+y2x^2+y^2x3+y3x^3+y^34x2+7xy+4y24x^2+7xy+4y^2 の値を求めよ。

Step-by-step solution

  1. まず各分母を有理化する —— 分母から根号が出てしまえば、以降のすべての手順が簡単になる。 分子と分母に分母の共役を掛ける:

    x=3+1313+13+1=(3+1)231=4+232=2+3x=\frac{\sqrt3+1}{\sqrt3-1}\cdot\frac{\sqrt3+1}{\sqrt3+1}=\frac{(\sqrt3+1)^2}{3-1}=\frac{4+2\sqrt3}{2}=2+\sqrt3

    y=313+13131=(31)231=4232=23y=\frac{\sqrt3-1}{\sqrt3+1}\cdot\frac{\sqrt3-1}{\sqrt3-1}=\frac{(\sqrt3-1)^2}{3-1}=\frac{4-2\sqrt3}{2}=2-\sqrt3

    xxyy が共役な形で出てきており、y=1/xy=1/x である。2 つの分数はもともと互いに逆数だったのである。

  2. 2 つの基本対称式を計算する。 残りの式はすべてこの 2 つから組み立てられるので、この問題で本当に計算するのはここだけである:

    x+y=(2+3)+(23)=4x+y=(2+\sqrt3)+(2-\sqrt3)=4

    xy=(2+3)(23)=43=1xy=(2+\sqrt3)(2-\sqrt3)=4-3=1

    どちらでも根号が消える。xxyy を別々に扱うのではなく x+yx+yxyxy で扱う理由がまさにこれである。

  3. 和の 2 乗から x2+y2x^2+y^2 を得る。 (x+y)2=x2+2xy+y2(x+y)^2=x^2+2xy+y^2 を展開して移項すると、

    x2+y2=(x+y)22xy=422(1)=14.x^2+y^2=(x+y)^2-2xy=4^2-2(1)=14.

  4. 和の 3 乗から x3+y3x^3+y^3 を得る。 (x+y)3=x3+y3+3xy(x+y)(x+y)^3=x^3+y^3+3xy(x+y) なので、

    x3+y3=(x+y)33xy(x+y)=433(1)(4)=6412=52.x^3+y^3=(x+y)^3-3xy(x+y)=4^3-3(1)(4)=64-12=52.

    (因数分解 x3+y3=(x+y)(x2xy+y2)=4(141)=52x^3+y^3=(x+y)(x^2-xy+y^2)=4(14-1)=52 でも同じ値になり、よい相互確認になる。)

  5. 最後の式を既知の量だけで書けるように組み替える。

    4x2+7xy+4y2=4(x2+y2)+7xy=4(14)+7(1)=56+7=63.4x^2+7xy+4y^2=4(x^2+y^2)+7xy=4(14)+7(1)=56+7=63.

    コツは真ん中の係数を分けることである。7xy=8xyxy7xy=8xy-xy でもうまくいくが、4(x2+y2)4(x^2+y^2) を直接くくり出すほうが短い。

  6. 数値で確認する。 x=2+33.7320508x=2+\sqrt3\approx3.7320508y=230.2679492y=2-\sqrt3\approx0.2679492 である。すると x+y4.000000x+y\approx4.000000xy1.000000xy\approx1.000000x3+y351.999999x^3+y^3\approx51.9999994x2+7xy+4y263.0000004x^2+7xy+4y^2\approx63.000000 となり、厳密な値と一致する。

Answer

x+y=4,xy=1,x2+y2=14,x3+y3=52,4x2+7xy+4y2=63x+y=4,\quad xy=1,\quad x^2+y^2=14,\quad x^3+y^3=52,\quad 4x^2+7xy+4y^2=63

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