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複素数平面において半径1の円に内接する正5角形を考える。
X5-1=0
の5つの解をX0=1と、X1、X2、X3、X4とする。
【問1】以下を証明せよ
|(1-X1)(1-X2)(1-X3)(1-X4)|=5
すなわち、
abab=5
を証明する。
【問2】以下を証明せよ
|(1-X1)|2+|(1-X2)|2+|(1-X3)|2+|(1-X4)|2=10
すなわち、
a2+b2+b2+a2=10
を証明する。
【問3】図の長さsを計算せよ
(解答)
【問1】
X5-1=0
の5つの解をX0=1と、X1、X2、X3、X4とすると、
0=X5-1
=(X-X0)(X-X1)(X-X2)(X-X3)(X-X4) (式1)
の関係が成り立ち、
それらの解を複素数平面上であらわした点を結ぶと正5角形になる。
式1を用いると以下の式2が得られる。
問1の式の左辺の絶対値の中の式はその式2のXを1に置き換えた式の左辺である。
(X-X1)(X-X2)(X-X3)(X-X4)=(X5-1)/(X-1)
=X4+X3+X2+X+1 (式2)
ここで、
X=1
とすると、
(1-X1)(1-X2)(1-X3)(1-X4)=5
(証明おわり)
(解答)
【問2】
X5-1=0
のXの4乗の項の係数が0であるので、
5次方程式の根と係数の関係から、
式4を式3に代入すると
|(1-X1)|2+|(1-X2)|2+|(1-X3)|2+|(1-X4)|2=10
(証明おわり)
(解答)
【問3】
s2=BC2=AC2-AB2
ここで、aは以下のようにして求めることができる。
問1の結果から、
a2b2=5 (6)
問2の結果から、
a2+b2=5 (7)
a2とb2を求めるtの式を根と係数の関係を利用して作る。
0=(t-a2)(t-b2)
=t2-(a2+b2)t+a2b2
ここで、式6と式7を代入する。
0=t2-5t+5 (8)
この式8を解く。
a2は式8の解のうち小さい方の値であるので、
式9を式5に代入する。
(解答おわり)
(話の追加)
sの長さがわかったので、例えば下図のようにこの長さsを作図して、その長さを使って正5角形を作図できる。
リンク:
高校数学の目次
複素数平面において半径1の円に内接する正5角形を考える。
X5-1=0
の5つの解をX0=1と、X1、X2、X3、X4とする。
【問1】以下を証明せよ
|(1-X1)(1-X2)(1-X3)(1-X4)|=5
すなわち、
abab=5
を証明する。
【問2】以下を証明せよ
|(1-X1)|2+|(1-X2)|2+|(1-X3)|2+|(1-X4)|2=10
すなわち、
a2+b2+b2+a2=10
を証明する。
【問3】図の長さsを計算せよ
(解答)
【問1】
X5-1=0
の5つの解をX0=1と、X1、X2、X3、X4とすると、
0=X5-1
=(X-X0)(X-X1)(X-X2)(X-X3)(X-X4) (式1)
の関係が成り立ち、
それらの解を複素数平面上であらわした点を結ぶと正5角形になる。
式1を用いると以下の式2が得られる。
問1の式の左辺の絶対値の中の式はその式2のXを1に置き換えた式の左辺である。
(X-X1)(X-X2)(X-X3)(X-X4)=(X5-1)/(X-1)
=X4+X3+X2+X+1 (式2)
ここで、
X=1
とすると、
(1-X1)(1-X2)(1-X3)(1-X4)=5
(証明おわり)
(解答)
【問2】
X5-1=0
のXの4乗の項の係数が0であるので、
5次方程式の根と係数の関係から、
式4を式3に代入すると
|(1-X1)|2+|(1-X2)|2+|(1-X3)|2+|(1-X4)|2=10
(証明おわり)
(解答)
【問3】
s2=BC2=AC2-AB2
ここで、aは以下のようにして求めることができる。
問1の結果から、
a2b2=5 (6)
問2の結果から、
a2+b2=5 (7)
a2とb2を求めるtの式を根と係数の関係を利用して作る。
0=(t-a2)(t-b2)
=t2-(a2+b2)t+a2b2
ここで、式6と式7を代入する。
0=t2-5t+5 (8)
この式8を解く。
a2は式8の解のうち小さい方の値であるので、
式9を式5に代入する。
(解答おわり)
(話の追加)
sの長さがわかったので、例えば下図のようにこの長さsを作図して、その長さを使って正5角形を作図できる。
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