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2次方程式と2次関数の関係

2次関数から2次方程式を考える

2次関数 f(x)=ax2+bx+c において、2次関数の判別式 D=b24ac0 以上であれば、放物線 y=f(x)x 軸と共有点をもつ。

判別式 D と放物線の関係

このとき、「共有点の x 座標」を求めることを考えてみよう。

たとえば、2次関数 f(x)=x2x2 について、放物線 y=f(x)x 軸の共有点の座標を求めてみよう。

y=x2x2 のグラフ

$y=x^2-x-2$ のグラフ

y=f(x)=x2x2 における判別式 D の値は D=124×1×(2)=9>0 と計算できるので、y=f(x) のグラフは x 軸と2つの共有点をもつのがわかる。

グラフと x 軸との共有点

グラフと $x$ 軸との共有点

このグラフによる x 軸との共有点の y 座標は 0 である。よって、共有点の x 座標は x2x2=0 という2次方程式の解である。この方程式の解は、左辺を因数分解することにより (x+1)(x2)=0x+1=0 , x2=0x=1 , x=2 と求めることができる。

つまり、y=f(x) のグラフと x 軸との共有点の x 座標は 12 である。

暗記2次関数から2次方程式を考える

y=x23x3 のグラフ

$y=x^2-3x-3$ のグラフ

グラフと x 軸との共有点

グラフと $x$ 軸との共有点

2次関数 f(x)=x23x3 について、放物線 y=f(x)x 軸の共有点の座標を求めたい。次の空欄に適当な数字を入れよ。

y=f(x)=x23x3 における判別式 D の値は D=A>0 と計算できるので、y=f(x) のグラフは x 軸と2つの共有点をもつのがわかる。

このグラフによる x 軸との共有点の y 座標は B である。よって、共有点の x 座標は x23x3=B という2次方程式の解である。

この式は簡単には因数分解できないので、解の公式を用いて解を求める。

2次方程式の解の公式参照

x=C±AD すなわち、y=f(x) のグラフと x 軸との共有点の x 座標は CADC+AD である。

\fbox{A}=\boldsymbol{21}\fbox{B}=\boldsymbol{0}\fbox{C}=\boldsymbol{3}\fbox{D}=\boldsymbol{2}

\blacktriangleleft~\fbox{A}の計算 D=(-3)^2-4\cdot1\cdot(-3)=21

\blacktriangleleft~\fbox{C}\fbox{A}\fbox{D}の計算 x=\dfrac{-(-3)\pm\sqrt{21}}{2\cdot1}=\dfrac{3\pm\sqrt{21}}{2}

放物線と x 軸との共有点

グラフと x 軸との共有点

グラフと $x$ 軸との共有点

判別式 D0 以上である2次関数 y=\color{red}{ax^2+bx+c} のグラフと x(y=0) との共有点の x 座標は
2次方程式 \color{red}{ax^2+bx+c}=0 の解である。

放物線と x 軸との共有点を調べる

次の放物線の、x 軸との共有点の数を調べよ。また、x 軸との共有点があれば、その共有点の座標を求めよ。

  1. y=x^2-x-1
  2. y=-4x^2+4x-1
  3. y=x^2-x+1

  1. $y=x^2-x-1$ のグラフと $x$ 軸との共有点

    判別式を D とすると D=(-1)^2-4\cdot(-1)=5\gt0 なので、\boldsymbol{x}軸と2つの共有点をもつ。

    また \begin{align} &x^2-x-1=0\\ \Leftrightarrow~&x=\dfrac{1\pm\sqrt{5}}{2} \end{align} \blacktriangleleft 2次方程式の解の公式
    だから、このグラフと x 軸の共有点の座標は\boldsymbol{\left(\dfrac{1-\sqrt{5}}{2}~,~0\right)}、\boldsymbol{\left(\dfrac{1+\sqrt{5}}{2}~,~0\right)}となる。

  2. $y=-4x^2+4x-1$ のグラフと $x$ 軸との共有点

    判別式を D とすると \dfrac{D}{4}=2^2-(-4)\cdot(-1)=0 \blacktriangleleft またはD=4^2-4\cdot(-4)\cdot(-1)=0
    なので、\boldsymbol{x}軸と1つの共有点をもつ(接する)。

    また \begin{align} &-4x^2+4x-1=0\\ \Leftrightarrow~&4x^2-4x+1=0\\ \Leftrightarrow~&(2x-1)^2=0\\ \Leftrightarrow~&x=\dfrac{1}{2} \end{align} だから、このグラフと x 軸の共有点の座標は\boldsymbol{\left(\dfrac{1}{2}~,~0\right)}となる。

  3. $y=x^2-x+1$ のグラフと $x$ 軸との共有点

    判別式を D とすると D=(-1)^2-4=-3\lt0 なので、\boldsymbol{x}軸と共有点をもたない。

x 軸と接するための条件

2次関数 y=4x^2+2(k-1)x-k+4 のグラフが x 軸と接するように、定数 k の値を定めよ。

2次関数 y=4x^2+2(k-1)x-k+4 の判別式を D とすると \begin{align} \dfrac{D}{4}=&(k-1)^2-4(-k+4)\\ =&k^2-2k+1+4k-16\\ =&k^2+2k-15 \end{align} \blacktriangleleft または D=4k^2+8k-60
放物線が x 軸と接するのは D=0 のときであるから
\blacktriangleleft 判別式 D と放物線の関係参照 \begin{align} &k^2+2k-15=0\\ \Leftrightarrow~&(k+5)(k-3)=0\\ \therefore~&\boldsymbol{k=-5~,~3} \end{align} \begin{align} {\blacktriangleleft}&k=-5\rightarrow~y=2\left(x-\frac{3}{2}\right)^2\\ &k=3~\rightarrow~y=2\left(x+\frac12\right)^2 \end{align} になる

2次関数の決定において、x 軸との共有点がわかっている場合を考えてみよう。

放物線 y=ax^2+bx+cx 軸との交点の x 座標が -31 であったとする。このとき、放物線と x 軸との共有点で学んだように、ax^2+bx+c=0 の解も -31 である。

さらに、解と係数の関係で学んだことを用いると「方程式 ax^2+bx+c=0」と「方程式 (x+3)(x-1)=0」は一致している。x^2 の係数をあわせて、ax^2+bx+c=a(x+3)(x-1) とわかる。

2次関数の決定(x 軸との交点の座標が与えられた場合)

グラフと x 軸との交点の座標が (-1,~0)(2,~0) であり、点 (1,~-2) を通る2次関数の式を求めよ。

x 軸との交点の x 座標が -12 なので、求める2次関数は y=a(x+1)(x-2)\tag{1}\label{2jikansukara2jihotesikiwokangaeru} とおける。

また、この2次関数は (1,~-2) を通るので,\eqref{2jikansukara2jihotesikiwokangaeru}より -2=a(1+1)(1-2) を得る。これより、a=1 となるので、求める2次関数は y=(x+1)(x-2)、つまり \boldsymbol{y=x^2-x-2} となる。

2次方程式から2次関数を考える

次は、2次関数から2次方程式を考えてみよう。「放物線と x 軸との共有点」を逆に考えれば、次のことがわかる。

2次方程式の解をグラフに表す

グラフと x 軸との共有点

グラフと $x$ 軸との共有点

判別式 D0 以上である2次方程式 \color{red}{ax^2+bx+c}=0 の解は、2次関数 y=\color{red}{ax^2+bx+c} のグラフと x 軸との「共有点の x 座標」に表れる。

この事実について、もう少し深く考察してみよう。

たとえば、2次方程式 4x^2-12x+9=0\tag{1}\label{2jihotesikikara2jikansuwokangaeru1} の解について考える。 ここで、上の2次方程式の左辺を y とおいた2次関数 y=4x^2-12x+9\tag{2}\label{2jihotesikikara2jikansuwokangaeru2} のグラフと、x 軸との交点の x 座標は、方程式 \eqref{2jihotesikikara2jikansuwokangaeru1} の解と一致する。

なぜなら、この x座標は、2次関数の式 \eqref{2jihotesikikara2jikansuwokangaeru2}y=0 を代入した 4x^2-12x+9=0 を解くことによって求められるからである。

グラフと x 軸との共有点

グラフと $x$ 軸との共有点

いま、この2次関数 \eqref{2jihotesikikara2jikansuwokangaeru2} の判別式 D\begin{align} D=&(-12)^2-4\times4\times9\\ =&144-144=0 \end{align} となるので、この放物線は x 軸と1つの共有点をもつ。

実際、この2次方程式を因数分解してみると \begin{align} &4x^2-12x+9=0\\ \Leftrightarrow~&(2x-3)^2=0\\ \Leftrightarrow~&2x-3=0 \end{align} より、x=\dfrac{3}{2} となり、これが x 軸との交点の x 座標となっている。

暗記2次方程式から2次関数を考える

2次方程式から2次関数を考える

2次方程式から2次関数を考える

次の空欄に適当な数字または文字を入れよ。

2次方程式 x^2-4x+5=0\tag{3}\label{2jihotesikikara2jikansuwokangaeru3} の解について考える。

ここで、上の2次方程式の「左辺を y とおいた2次関数」 \fbox{A}=x^2-4x+5\tag{4}\label{2jihotesikikara2jikansuwokangaeru4} のグラフと、x 軸との交点の x 座標は、方程式 \eqref{2jihotesikikara2jikansuwokangaeru3} の解と一致する。

なぜなら、この x 座標は、2次関数の式 \eqref{2jihotesikikara2jikansuwokangaeru4}\fbox{A}=\fbox{B} を代入した x^2-4x+5=\fbox{B} を解くことによって求めるからである。

いま、この2次関数 \eqref{2jihotesikikara2jikansuwokangaeru4} の判別式 DD=\fbox{C}\lt0 となるので、この放物線は x 軸と共有点をもたない。

実際、2次方程式 \eqref{2jihotesikikara2jikansuwokangaeru3} の判別式も D=\fbox{C}\lt0 となり、\eqref{2jihotesikikara2jikansuwokangaeru3}を満たす実数 x は存在しないことがわかる。

\fbox{A}=\boldsymbol{y}\fbox{B}=\boldsymbol{0}\fbox{C}=\boldsymbol{-4}
{\blacktriangleleft}~\fbox{C} の計算 D=(-4)^2-4\cdot1\cdot5=16-20=-4

以上のことから、次のことがまとめられる。

「2次方程式の解」と「2次関数のグラフと x 軸との共有点の x 座標」の対応

グラフと x 軸との共有点

グラフと $x$ 軸との共有点

2次方程式 \color{red}{ax^2+bx+c}=0 の解は、この式の左辺を y とおいた2次関数 y=\color{red}{ax^2+bx+c} のグラフと x 軸との交点の x 座標と一致する。

判別式 D=b^2-4ac の符号と、2次関数 y=ax^2+bx+c のグラフと x 軸との位置関係、および2次方程式 ax^2+bx+c=0 の解の個数について、次のようにまとめられる。

「2次方程式の解」と「2次関数のグラフと x 軸との共有点の x 座標」の対応の表

「2次方程式の解」と「2次関数のグラフと $x$ 軸との共有点の $x$ 座標」の対応の表