【数Ⅱ】剰余の定理(公式、証明、問題)【因数定理】

方程式と関数

数と式の計算において重要項目である、剰余の定理について解説します!

剰余の定理とは

剰余の定理【公式】

剰余の定理

整式\(P(x)\)を\(x-a\)で割った余りは\(P(a)\)に等しい

整式を1次式で割ったときの余りを割り算をせず、代入計算をするだけで求めることができるという便利な公式です。

例題 \(P(x)=x^3+3x^2-4x-5\) を \(x-2\)で割った余りを求めよ。

解答 \(P(2)=8+12-8-5=7\)より 余り\(7\)

剰余の定理【証明】

剰余の定理の証明は以下の通りです。導出過程もとても大切です。

証明

整式\(P(x)\)を\(x-a\)で割ったときの商を\(Q(x)\)、余りを\(R\)とすると

\(P(x)=(x-a)Q(x)+R\) と表せる

x=a を代入して

\(P(a)=(\underbrace{a-a}_{0})Q(a)+R\)

\(P(a)=R\)

\(P(a)\)と余り\(R\)が等しくなるので証明完了です。

割る式の1次の係数が1でない場合

剰余の定理は割る式の1次の係数が1でない場合も使えます。

剰余の定理(割る式の1次の係数が1でない場合)

整式\(P(x)\)を\(ax-b\)で割った余りは\(\displaystyle{P(\frac{b}{a})}\)に等しい

例題を見てみましょう。

例題 \(P(x)=x^3+3x^2-4x-5\) を \(2x-3\)で割った余りを求めよ。

解答 \(\displaystyle{P(\frac{3}{2})=\frac{27}{8}+\frac{27}{4}-\frac{12}{2}-5=-\frac{7}{8}}\)より 余り\(\displaystyle{-\frac{7}{8}}\)

1次式で割る場合は、剰余の定理は使えるわけです。

剰余の定理を利用する問題

さて剰余の定理を利用する問題を解いてみましょう。

例題1

例題1

整式\(3x^3+ax^2+bx+5\)を\(x+1\)で割ると\(-2\)余り、\(x-2\)で割ると\(7\)余る。このとき、\(a,b\)の値をもとめよ。

解説

\(P(x)=3x^3+ax^2+bx+5\)とおく。

\(x+1\)で割ると\(-2\)余り、\(x-2\)で割ると\(7\)余るので

剰余の定理より \(P(-1)=-2\)、\(P(2)=7\)なので

\(P(-1)=-3+a-b+5=-2\Leftrightarrow a-b=-4\)

\(P(2)=24+4a+2b+5=7\Leftrightarrow 2a+b=-11\)

これを連立させると \(a=-5,b=-1\)

解けましたね。続いてもう一題解いてみましょう。

例題2

例題2

整式\(P(x)\)を\(x+1\)で割ると\(-2\)余り、\(2x-1\)で割ると\(4\)余る。整式\(P(x)\)を\((2x-1)(x+1)\)で割った余りをもとめよ。(19 摂南大)

解説

整式\(P(x)\)を\((2x-1)(x+1)\)で割ったときの商を\(Q(x)\)、余りを\(ax+b\)とすると

\(P(x)=(2x-1)(x+1)Q(x)+ax+b\) と表せる

整式\(P(x)\)を\(x+1\)で割ると\(-2\)余り、\(2x-1\)で割ると\(4\)余るので

剰余の定理より \(P(-1)=-2\)、\(P(\frac{1}{2})=4\) となるので、

$$P(-1)=-a+b=-2$$

$$P(\frac{1}{2})=\frac{1}{2}a+b=4$$

これを連立させると \(a=4,b=2\)

したがって 余りは \(4x+2\)

また途中で使った、以下の事実は重要事項です。

整式をn次式で割った時の余りは、n-1次式以下となる

剰余の定理と因数定理

剰余の定理と似たものに「因数定理」があります

因数定理

整式\(P(x)\)が\(x-a\)で割りきれる(\(x-a\)を因数に持つ) \(\Leftrightarrow\) \(P(a)=0\)

「割り切れる」ということは、「余りが0である」ということを考えると、剰余の定理からすぐに導くことができます。

代入計算は組立除法を利用することができる

剰余の定理は整式の割り算を代入計算によって求めることができます。

また整式の割り算は、組立除法を使えば簡単に求められましたね。参考は以下の記事。

つまり、代入計算は組立除法を使うことによって求めることもできます

例題

\(P(x)=2x^3-5x^2-x+4\) において \(P(3)\) を求めよ。

解説

組立除法を利用して、

(x-3) で割った余りは10なので

\(P(3)=10\) 

$$\begin{array}{c|cc} & 2 &-5&-1&4 \\ 3 & & 6&3&6 \\ \hline &2&1&2 &10\end{array}$$

代入計算を組立除法で簡単に解くことができます。これは検算などにも役立ちます

剰余の定理まとめ

剰余の定理の解説は以上です。まとめは以下の通り。

  1. 剰余の定理は代入計算のみで、余りを求めることができる
  2. 因数定理は、剰余の定理の余りが「0」のときの状態
  3. 組立除法を利用して、代入計算を求めることができる

基本をおさえて、着実に次へのステップにしていきましょう。

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