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東北大学 2000年度 後期日程文系(後期)数学 第2問

3次方程式x3−(p−3)x2−3x+p−1=0の3つの解がすべて整数となるような実数pの値を求めよ.

難易度5/ 10計算量4/ 10目安18分

方程式・不等式、整数 解と係数の関係、場合分け、範囲評価

方針

まず x=1 が常に解であることに気づくと、3次方程式を2次式に分解できる。残り2解が整数になる条件を、2次式の解を u,v として解と係数の関係で調べる。uv+u+v=−3 を (u+1)(v+1)=−2 に変形すれば、整数の組は有限個に絞られ、対応する p を求められる。

解答

与えられた多項式を F(x)=x3−(p−3)x2−3x+p−1 とおく。まず F(1)=1−(p−3)−3+p−1=0 であるから、x=1 は p によらず解である。したがって F(x)=(x−1){x2+(4−p)x+(1−p)} と因数分解できる。

3つの解がすべて整数であるためには、残りの2次方程式 x2+(4−p)x+(1−p)=0 の2つの解も整数であればよい。その2解を u,v とすると、解と係数の関係から u+v=p−4,uv=1−p である。これらを加えると uv+u+v=−3 となる。よって (u+1)(v+1)=uv+u+v+1=−2 である。 u,v は整数なので、u+1,v+1 は積が −2 である整数の組である。したがって順序を除けば (u+1,v+1)=(1,−2),(−1,2) だけを調べればよい。これより (u,v)=(0,−3),(−2,1) である。 (u,v)=(0,−3) のとき、uv=1−p を用いて 0=1−p だから p=1 である。(u,v)=(−2,1) のとき −2=1−p だから p=3 である。

実際、p=1 のときの解は 1,0,−3、p=3 のときの解は 1,−2,1 であり、いずれも整数である。したがって求める値は p=1,3 である。

別解

解法2

方針

固定解 x=1 を除いた2次方程式の判別式を完全平方とおき、平方差8の整数因数分解でp を絞る。

解答

まずx3−(p−3)x2−3x+p−1=(x−1){x2+(4−p)x+(1−p)}.3解がすべて整数なら、後半の2次方程式の解の和が p−4 なので p は整数である。
また判別式Δ=(4−p)2−4(1−p)=(p−2)2+8は整数の平方でなければならない。そこで Δ=k2 とおくと{k−(p−2)}{k+(p−2)}=8.2因子は同じ偶奇であり積が8なので、符号と順序を除けば(2,4),(−2,−4)だけを調べればよい。これより p−2=±1、すなわちp=1,3.実際、p3解11,0,−331,1,−2となり、いずれも条件を満たす。

総評

難度は10段階中5、計算量は10段階中4。目安は18分。3次方程式を直接整数解探索するより、まず x=1 が常に解であることを確認して2次式に落とすのが最短である。整数条件は (u+1)(v+1)=−2 まで変形すると、場合分けが非常に少なくなる。答案では p=uv のような取り違えを避け、必ず uv=1−p から p を戻すことが大切である。 2つの解法は標準的な答案手順と、構造を使って検算できる別経路に分けた。等号条件、範囲、必要性と十分性を明示し、積分・総和・極限および主要な分数は読みやすい表示形式に統一した。

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出典: 東北大学 2000年度 後期日程 数学 第2問。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。