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東北大学 2009年度 前期日程 第2次学力試験理系数学 第1問

abcを実数とする.以下の問いに答えよ.

(1)
a+b=cであるとき,a3+b3+3abc=c3が成り立つことを示せ.

(2)
a+bcであるとき,a3+b3+3abcc3が成り立つことを示せ.

難易度5/ 10計算量4/ 10目安15

数と式方程式・不等式論証・証明 式変形、不等式評価、展開・因数分解

方針

(1)a+b=cをそのまま代入して三乗の展開を使う。(2)はs=a+bとおき,(1)で得られる恒等式a3+b3+3abs=s3を利用して,示すべき差を(sc)でくくる。sc0は仮定から従うので,残る因子はab(a+b)2/4=s2/4を使って非負であることを示す。

解答

(1)

a+b=cであるから c3=(a+b)3 である。右辺を展開すると (a+b)3=a3+3a2b+3ab2+b3=a3+b3+3ab(a+b) である。a+b=cを代入して c3=a3+b3+3abc となる。よって a3+b3+3abc=c3 である。

(2)

s=a+bとおく。仮定より sc である。また(1)の展開から,任意の実数a,bについて a3+b3+3ab(a+b)=(a+b)3 すなわち a3+b3+3abs=s3 が成り立つ。

示すべき差を計算するとa3+b3+3abcc3=(s33abs)+3abcc3=s3c33ab(sc)=(sc)(s2+sc+c23ab)である。

ここで (ab)20 より (a+b)24ab だから abs24 である。したがってs2+sc+c23abs2+sc+c23s24=s24+sc+c2=(s2+c)20である。

またsc0なので (sc)(s2+sc+c23ab)0 である。よって a3+b3+3abcc3 が成り立つ。

総評

難度5、計算量4。三乗の展開を不等式に転用する問題である。s=a+bとおくことで仮定がscになり,差が(sc)で因数分解される。残りの因子はabs2/4で評価するが,これはa,bの正負に関係なく(ab)20から従う。目安時間は15分前後。

差を (a+bc) でくくった後の因子は,((a+b)/2+c)2+3(ab)2/4 と平方和にも書ける.この形なら第2因子の非負性が一目で確認できる.

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出典: 東北大学 2009年度 前期 数学(大学公式の問題PDF)。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。