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東北大学 2019年度 前期日程 第2次学力試験理系数学 第4問

実数を係数にもつ整式A(x)をx2+1で割った余りとして得られる整式を[A(x)]と表す。

(1) [2x2+x+3],[x5−1],[ [2x2+x+3] [x5−1] ]をそれぞれ求めよ。

(2) 整式A(x),B(x)に対して,次の等式が成り立つことを示せ。[A(x)B(x)]=[ [A(x)] [B(x)] ](3) 実数θに対して,次の等式が成り立つことを示せ。[(xsin⁡θ+cos⁡θ)2]=xsin⁡2θ+cos⁡2θ(4) 次の等式を満たす実数a, bの組(a, b)をすべて求めよ。[(ax+b)4]=−1

難易度6/ 10計算量6/ 10目安24分

数と式、三角関数 恒等式比較、式変形、三角比の利用

方針

x2≡−1 と考え、余りを一次式に直す。(2)は余りの定義から、元の整式との差が x2+1 の倍数であることを使って積でも余りが一致することを示す。(3)は直接展開して x2≡−1 を使う。(4)は a,b を rsin⁡θ,rcos⁡θ と表す三角関数解法に加え、2abx+b2−a2 を使う代数的な別解も示す。

解答

(1) x2+1 で割った余りを考えるので、余りの計算では x2≡−1 としてよい。したがって [2x2+x+3]=[−2+x+3]=x+1 である。また x4≡1 より x5≡x なので [x5−1]=x−1 である。さらに [[2x2+x+3][x5−1]]=[(x+1)(x−1)]=[x2−1]=−2 である。

(2)
整式 A(x) を x2+1 で割ると A(x)=[A(x)]+(x2+1)Q(x) と書ける。同様に B(x)=[B(x)]+(x2+1)R(x) と書ける。これらを掛けると、A(x)B(x) と [A(x)][B(x)] の差は x2+1 の倍数である。したがって、この2つを x2+1 で割った余りは等しい。よって [A(x)B(x)]=[[A(x)][B(x)]] である。

(3)
左辺を展開して余りを取ると[(xsin⁡θ+cos⁡θ)2]=[x2sin⁡2θ+2xsin⁡θcos⁡θ+cos⁡2θ]=−sin⁡2θ+xsin⁡2θ+cos⁡2θ=xsin⁡2θ+cos⁡2θである。したがって示す等式が成り立つ。

(4)
まず (a,b)=(0,0) は左辺が0になるので不適である。そこで a=rsin⁡θ,b=rcos⁡θ,r>0 とおく。このとき ax+b=r(xsin⁡θ+cos⁡θ) である。(3)と(2)を用いると [(ax+b)4]=r4[xsin⁡4θ+cos⁡4θ] である。これが −1 に等しいためには r4sin⁡4θ=0,r4cos⁡4θ=−1 でなければならない。よって r=1 かつ sin⁡4θ=0,cos⁡4θ=−1 である。したがって 4θ=(2m+1)π となり、sin⁡θ,cos⁡θ は (±12,±12) の4通りを取る。よって(a,b)=(12,12),(12,−12),(−12,12),(−12,−12)である。

別解

解法2(一次式の係数を代数的に追う)

方針

x2≡−1 として(1)を計算し、(2)は余りの定義から証明する。(3)は直接展開する。(4)では [(ax+b)2] を ux+v と置き、その平方の一次係数と定数項を比較する。

解答

(1)
x2≡−1 より[2x2+x+3]=x+1,[x5−1]=x−1.したがって[ [2x2+x+3][x5−1] ]=[x2−1]=−2.(2)A=[A]+(x2+1)Q,B=[B]+(x2+1)Rと書ける。積を取れば AB−[A][B] は x2+1 の倍数だから[AB]=[ [A][B] ].(3)
直接展開して x2≡−1 を用いると[(xsin⁡θ+cos⁡θ)2]=−sin⁡2θ+2xsin⁡θcos⁡θ+cos⁡2θ=xsin⁡2θ+cos⁡2θ.(4)
まず[(ax+b)2]=2abx+b2−a2.u=2ab, v=b2−a2 とおけば[(ax+b)4]=[(ux+v)2]=2uvx+v2−u2.これが −1 に等しい条件はuv=0,v2−u2=−1.u=0 なら v2=−1 となり不可能である。よって v=0、すなわち b2=a2 である。さらに−u2=−1,u=2abより 4a4=1 であり、a2=b2=1/2 を得る。したがって(a,b)=(12,12),(12,−12),(−12,12),(−12,−12).

総評

難度6、目安時間24分。余り記号は、実質的に x2=−1 として計算する仕組みである。(2)で余りの積が保たれることを示しておくと、(3)(4)で同じ操作を繰り返し使える。三角関数解法では a,b を半径と角で表す発想が自然だが、別解のように直接 [(ax+b)2] を置いても解ける。最終的に4通りすべてを列挙し、(0,0) を除外することが重要である。

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出典: 東北大学 2019年度 前期 数学。問題文はHTML表示のために再入力・数式組版しています。