東大理系数学'21年前期[6]

定数b,c,p,q,rに対し、
がxについての恒等式であるとする。
(1) であるとき、q,rをp,bで表せ。
(2) とする。b,cが定数aを用いて
,
と表されているとき、有理数を係数とするt についての整式とで
を満たすものを1組求めよ。
(3) aを整数とする。xの4次式
が有理数を係数とする2次式の積に因数分解できるようなaをすべて求めよ。


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解答 (3)は、(1)(2)を利用して考えますが、仕掛けが複雑で、どうすればよいか、ということ自体が考えにくい問題です。方針が立っても、落とし穴がいくつか待っているので、細心の注意が必要です。

 ・・・�@

(1) �@の右辺を展開すると、
�@左辺と各項の係数を比較すると、
 ・・・�A
 ・・・�B
 ・・・�C
�Aより、 ・・・�D
�Bに代入して、 ∴
......[答]
�Dに代入して、 ......[答]
(2) (1)の結果を�Cに代入して、
より、
∴

より、 ・・・�E
問題文の式: ・・・�F の左辺を
展開すると
�Eと各項の係数を比較すると、
 ・・・�G
 ・・・�H
 ・・・�I
�Gより、
なので�Iより、
これらを�H式右辺に代入すると、
�H式左辺になるので、, ......[答] �G,�Hより、条件に適すのはこの1組であって、これ以外にはありません。
(3) b,cが(2)の問題文中に与えられているものだとして、と因数分解できたとします。
右辺を展開すると、
係数を比較して、,
∴
,
これより、
という形に因数分解できます
(は�Dと同じ)。
 ・・・�J
と因数分解できるとすると、(2)より、�Fによって有理数pを定めれば、(1)の結果を用いて有理数q,rを決めることにより因数分解できるわけです。
�Fより、 ・・・�K または、 ・・・�L
・�Kとなるとき、だとして、pが有理数、つまり ()が有理数だと仮定すると、m,nを互いに素な自然数として、
とおけます。2乗してをかけると、 ・・・�M
これより、
nはの倍数で、とおけます。�Mに代入すると、
∴

これは、mがの倍数であることを意味し、m,nが互いに素ではなくなり、ではは無理数になってしまいます。
従って、,です。
このとき、
(2)の問題文中の式より、,で、(1)の結果を用いて、のとき、,,または、のとき、,となり、いずれにしても�Jは
と有理数を係数とする2次式の積に因数分解できます。
・�Lとなるとき、�Lをに関する2次方程式とみると実数解を持つので、判別式Dについて、
(2)の結果より、
なので、,即ち、
より、,よって、です。また�Lを解いて、です。
(i) のとき、,,,,より、です。
このとき、(2)の問題文中の式より、,となりますが、�Aより,�Cより,これを満たす有理数q,rは存在しません。つまり、このとき�J:は有理数係数の2次式の積の形には因数分解できません。
(ii) のとき、,,このときはが無理数で、は有理数にならず、,となりますが、�J:は有理数係数の2次式の積の形には因数分解できません。。
(iii) のとき、,,このときはが無理数で、は有理数にならず、,となりますが、�J:は有理数係数の2次式の積の形には因数分解できません。
以上より、問題文の4次式が有理数を係数とする2次式の積に因数分解できるようなaは、 ......[答]
注.に関する2次方程式�Lは、解かなくても、のとき、
であって、の範囲に実数解を持たず、実数解はあったとしてものときのに限られます。これに気づけば、上記の(ii),(iii)の場合分けは不要になります。


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