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千葉大学/2018年度

千葉大学 2018年 数学 第12問解答・解説

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1問題

千葉大学2018年度第12問

複素数z=cos(2π/9)+i sin(2π/9)に対し、α=z+z⁸とおく。f(x)は整数係数の3次多項式で、3次の係数が1であり、かつf(α)=0となるものとする。ただし、すべての係数が整数である多項式を、整数係数の多項式という。

(1) f(x)を求めよ。ただし、f(x)がただ1つに決まることは証明しなくてよい。

(2) 3次方程式f(x)=0のα以外の2つの解を、αの2次以下の、整数係数の多項式の形で表せ。

まずは自分で解いてみましょう。詰まったら「考え方」、解けたら「答え」で確かめられます。

2考え方

考え方を見る解き方の方針だけを確かめる

三倍角公式でfを求め、α²−2がもう一つの根と確認する。残る根は三次式の解と係数の関係で表す。

3答え

答えを見る自分の答えと照らし合わせる
  • f(x)=x3−3x+1,x=α2−2,x=2−α−α2f(x)=x^3-3x+1,\qquad x=\alpha^2-2,\quad x=2-\alpha-\alpha^2

4解答

解答を見る途中式つきの解答

Independent derivation

Let θ=2π/9\theta=2\pi/9. Then α=z+z8=2cos⁡θ\alpha=z+z^8=2\cos\theta, so the triple-angle identity gives α3−3α=2cos⁡(3θ)=2cos⁡(2π/3)=−1.\alpha^3-3\alpha=2\cos(3\theta)=2\cos(2\pi/3)=-1. Thus f(x)=x3−3x+1f(x)=x^3-3x+1 is a monic integer cubic satisfying f(α)=0f(\alpha)=0.

For the first other root, using z9=1z^9=1, α2−2=(z+z8)2−2=z2+z7=2cos⁡(4π/9).\alpha^2-2=(z+z^8)^2-2=z^2+z^7=2\cos(4\pi/9). The triple-angle identity gives (α2−2)3−3(α2−2)=2cos⁡(4π/3)=−1(\alpha^2-2)^3-3(\alpha^2-2)=2\cos(4\pi/3)=-1, so α2−2\alpha^2-2 is a root of ff.

This root differs from α\alpha: otherwise α2−α−2=0\alpha^2-\alpha-2=0, so α=2\alpha=2 or α=−1\alpha=-1, but f(2)=f(−1)=3f(2)=f(-1)=3. The three roots of ff sum to zero because its x2x^2 coefficient is zero. The remaining root is therefore −α−(α2−2)=2−α−α2.-\alpha-(\alpha^2-2)=2-\alpha-\alpha^2. Both requested roots are integer-coefficient polynomials in α\alpha of degree at most two.

この問題で使う考え方

  • 三倍角公式
  • ド・モアブルの定理・z^9=1
  • 三次式の解と係数の関係

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