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平方完成の図形的イメージ
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2次方程式を解く_ 際,「平方完成」という操作を行います.
はじめて授業で習ったとき,どうも変形の本質というか,
イメージが掴めなかった方も多いのではないでしょうか.
平方完成の“図形的イメージ”を捉えることを目標に,この記事を書きました.
平方完成とは
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2次方程式を解くときに,「なんとかの二乗=定数」という形に変形することを,平方完成と呼びます.
たとえば
x^2+bx=c
という2次方程式を平方完成すると,
\left(x+\frac{b}{2}\right)^2=c+\left(\frac{b}{2}\right)^2
になります.この式変形の意味を,何とか図形的にイメージすることはできないでしょうか.
図形的意味
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一般式ではイメージし辛いので,つぎのように具体的な2次方程式を考えます.
x^2 + 11x = 33 \tag{#def(eq:imi)}
この式の意味は「ある数を二乗したものと,ある数に11を掛けたものを足すと,33である」ということです.
そして,方程式の解を求めるとは,「ある数」が具体的にいくらなのかを決めることです.
式 (#ref(eq:imi)) をなんとか図形的に表したいのですけど,どうしよう.
そうだ,“2次”なのだから,面積に例えられないでしょうか.
四角形の面積は,一辺掛ける一辺,という2次の問題です.
特に正方形ならば,辺の長さの二乗,という問題になります.
2次方程式を,正方形の面積を求める問題 [*]_ に置き換えてみましょう.
.. [*]
この図形的な方法は,アラビアのアル・クワリズミという数学者が考えたそうです.
ちなみに,“アル・クワリズミ”は“アルゴリズム”の語源だとか.
正方形とその面積
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まずは式 (#ref(eq:imi)) の右辺を,正方形の面積として表現することにします.
正方形の絵を描いておきます.
.. image:: sakima-kainokoushiki-fig1.png
:align: center
残るは式 (#ref(eq:imi)) の左辺を,正方形の辺の長さで表せれば,
2次方程式を図形的に表したことになります.しかし式 (#ref(eq:imi)) の左辺は
x^2 + 11x
なので,正方形の辺の長さにする,と言ってもなんだか良くわかりません.
しかしこれが $x^2$ だったらどうでしょう.この場合,辺の長さは $x$ で良いですよね.
一辺の長さが $x$ の正方形の面積は, $x^2$ ですからね.
$x^2 + 11x$ を「何とかの二乗」に近づけるため,つぎの式変形を行います.
x^2 + 11x
= \left(x + \frac{11}{2}\right)^2 - \left(\frac{11}{2}\right)^2 \tag{#def(eq:imi2)}
ひとまず,「何とかの二乗」に近づきました.
マイナスが付いた項が出てくるのは,両辺の値を等しくするためです.
式 (#ref(eq:imi2)) の右辺を式 (#ref(eq:imi)) の左辺に代入してみましょう.
\left(x + \frac{11}{2}\right)^2 - \left(\frac{11}{2}\right)^2 = 33 \tag{#def(eq:imi3)}
となります.
仮にマイナスの項を無視して考える
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ここで一時的に,式 (#ref(eq:imi3)) においてマイナスの項を「なかったこと」にして考えてみると
\left(x + \frac{11}{2}\right)^2 = 33
であり,この式は,図形的につぎの図で表せます.
一辺の長さが $x + \frac{11}{2}$ の正方形ですね.
.. image:: sakima-kainokoushiki-fig2.png
:align: center
色分けしているのにはちゃんと意味があります.
図にもう少し情報を書き込んでみます.
.. image:: sakima-kainokoushiki-fig3.png
:align: center
一辺の長さが $x + \frac{11}{2}$ であるという情報を元に,
このように,全体を4つの四角形に分けることができます.
- 面積 $x^2$ の正方形が1つ
- 面積 $\frac{11}{2}x$ の長方形が2つ,
- 面積 $\left(\frac{11}{2}\right)^2$ の正方形が1つ
です.図の右下の,面積 $\left(\frac{11}{2}\right)^2$ の正方形に注目してください.
マイナスの項もちゃんと考える
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マイナスの項をちゃんと考えるには,両辺に「マイナスの項と同じもの」
を足して打ち消す,という方針を取ります.つまり
\left(x + \frac{11}{2}\right)^2 - \left(\frac{11}{2}\right)^2 = 33
を
\left(x + \frac{11}{2}\right)^2 = 33 + \left(\frac{11}{2}\right)^2 \tag{#def(eq:imi4)}
とすれば良いのですね.いまの場合,まるっきり無視したのではなく,
左辺から引いた分を右辺に足しているので,方程式の整合性は保たれています.
しかし今度は,全体の面積に相当する右辺の値が増えてしまいました.
これは,つぎの図のように考えます.
.. image:: sakima-kainokoushiki-fig5.png
:align: center
左側の「一部が欠けた正方形」の面積こそが,式 (#ref(eq:imi)) の右辺に相当し,
右側の「ちゃんとした正方形」が,変形した式 (#ref(eq:imi4)) の右辺に相当している,ということです.
まとめ
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平方完成とは,このように正方形を完成させて,問題解決を簡単にすることだったのです.
x^2 + 11x = 33
のように $x^2$ の項と $x$ の項が別々だと難しいですが,
\left(x + \frac{11}{2}\right)^2 = 33 + \left(\frac{11}{2}\right)^2
と平方完成すると $x$ は一箇所にまとまるので,問題を考えやすくなります [*]_ .
変形の必然性,意味が少しでも納得できれば記憶も定着しやすいですし,
なるほど! と思えれば勉強が楽しいものになりますね.
.. [*]
正方形の面積,というイメージは思い浮かべやすいですが,
じゃあ面積が負の場合はどうなるんだろう,という疑問にもつながります.
そこは割り切っておきましょう.
.. _2次方程式を解く: http://www12.plala.or.jp/ksp/algebra/kainokoshiki/
@@author: 崎間@@
@@accept: 2005-11-13@@
@@category: 代数学@@
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