数学Ⅱ : 微分・積分の考え 高次方程式の実数解の個数(2)

例題

三次方程式x33x29x+5a=0の異なる実数解の個数を求めなさい。

アドバイス

よく見るタイプの問題だけど、決まった解き方があるので憶えておこう。
1.方程式を、文字の部分の式と文字がない部分の式に分ける。 2.できた二つの式を、y=とおいてグラフを描く。 3.二つのグラフの交点の数を求める。 の3ステップで解く。

解説

方程式を変形して、
x33x29x+5=a式A
より、右辺と左辺をそれぞれy=とおいて、
{y=x33x29x+5y=a式B
の2つの式に分ける。

式Bを連立方程式として解く場合、一方のyを他方に代入すると、式Aにもどる。
ということは、式Aは、式Bを連立方程式として解いている途中だと考えられる。
なので、式Aの解の個数は、式Bの連立方程式の解の個数と等しい。
ということで、式Bの連立方程式の解の個数を調べよう。


連立方程式の解はグラフの共有点なので、共有点の数を調べる。
そのためには、まずグラフを描かないといけない。

y=x33x29x+5を微分して、
y=3x26x9
y=3(x22x3)
y=3(x+1)(x3)
より、x=1,3のときy=0である。

以上から増減表を書くと、

x 1 3
y + 0 - 0 +
y 10 22

となるので、グラフを描くと、

図A
高次方程式の実数解の個数(2) 解説図A

となる。

また、y=aのグラフは、x軸に平行で、図Bのような形になる。

図B
高次方程式の実数解の個数(2) 解説図B

図C
高次方程式の実数解の個数(2) 解説図C

以上より、y=aのグラフが図Aの緑の範囲にあるのは
a<22または10<a
のときで、二つのグラフは図Cのようになる。

図Cより、共有点の数は1つ。
よって、方程式の解は1つ。

図D
高次方程式の実数解の個数(2) 解説図D

y=aのグラフが図Aのオレンジ色の線に重なるのは
a=22またはa=10
のときで、二つのグラフは図Dのようになる。

図Dより、共有点の数は2つ。
よって、方程式の解は2つ。

図E
高次方程式の実数解の個数(2) 解説図E

y=aのグラフが図Aの青い範囲に入るのは
22<a<10
のときで、二つのグラフは例えば図Eのようになる。

図Eより、共有点の数は3つ。
よって、方程式の解は3つ。

まとめると、方程式の異なる実数解の個数は、
a<22または10<aのとき、1個 a=22またはa=10のとき、2個 22<a<10のとき、3個 である。

解答a<22または10<aのとき、1個
a=22またはa=10のとき、2個
22<a<10のとき、3個