虚数解は 1 つだけでは現れない - 実数係数がつくる対
係数がすべて実数の方程式では、 が解なら も解になる[1]。
虚数解は 1 つだけでは現れない。かならず共役の相手を連れてくる。
共役をとっても式が壊れない
とし、係数はすべて実数とする。 をみたす をとる。
両辺の共役をとる。共役は和と積を素通りするので、各項へばらばらに入っていく[2]。
ここで係数が実数なので に戻る。右辺は そのものになる。
も解である。使ったのは「係数が実数」の一点だけ[1]。
証明が短く済むのは、共役が和と積を素通りするからである。
と 。この 2 本で多項式の中を通り抜ける。
解は実軸に関して対称に並ぶ
共役をとる操作は、実軸で折り返す操作だった。解の集合が折り返しで自分に戻る、という形になる。
実軸の上に乗った解は動かない。実数解だけが、相手なしで単独に存在できる。

例:
解の公式に入れると、根号の中が になる。
と 。実部が同じで虚部の符号だけが違い、共役の対になっている。
例:3 次方程式で残りを出す
が を解にもつとする。係数はすべて実数である。
共役の も解になる。この 2 つを掛け合わせると、実数係数の 2 次式が出てくる。
もとの 3 次式をこれで割ると が残る。3 つ目の解は である。
代入すると 。虚数解が 1 つ与えられただけで、残りが全部決まった。
奇数次には実数解がある
次方程式の解は重複を数えて 個ある。虚数解は 2 個ずつの組になるので、その総数はかならず偶数になる。
が奇数なら、偶数を引いた残りは奇数。 にはならないので、実数解が少なくとも 1 つ残る[3]。
3 次方程式が実数解を必ずもつのは、この理由による。グラフが必ず 軸を横切ることとも一致する。
虚数解は 2 個ずつの組になる
組の総数はかならず偶数
奇数次なら実数解が 1 つ以上残る
例:4 次方程式
偶数次では実数解が 1 つもない場合がありうる。 がその例である。
解は絶対値 、偏角 、、、 の 4 つ。どれも実軸から外れている。
上半分の 2 つと下半分の 2 つが、実軸をはさんで対になっている。組が 2 つで、余りは出ない。
実数の範囲で分解できる
共役の対 と を掛けると、次の式になる。
は実部の 2 倍、 は絶対値の 2 乗。どちらも実数である。
だから実数係数の多項式は、実数係数の 1 次式と 2 次式だけの積に分解できる[3]。3 次以上の実数係数の既約な因数は存在しない[4]。
例: を分解する
上の 4 解を、上下の対でまとめる。 と の組、 と の組である。
展開すると となり、確かに に戻る。
1 次式では書けないのに、2 次式なら実数係数で書ける。虚数解が対になっている効果が、そのまま形に出ている。
例:重複度もそろう
が 重解なら、 も 重解になる[4]。
では、 と がどちらも 2 重解である。片方だけ重なることはない。
分解した形が なので、両方に同じ指数が付く。
例:係数が複素数だと崩れる
を解く。因数分解すると である。
解は と 。 の共役 を代入すると となり、 にならない。
係数に が混じった時点で、共役をとる操作が式を保たなくなる。定理が実数係数を要求する理由がここにある。
なので、共役をとっても同じ方程式に戻る
係数まで共役になり、別の方程式へ移る。解の対称性は消える
例:解と係数の関係で確かめる
と を解にもつ 2 次方程式をつくる。和は 、積は である。
どちらも実数になり、実数係数の方程式が組み上がった。虚部が打ち消し合うため、対にすると係数がかならず実数へ落ちる。
実数係数の 4 次方程式が と を解にもつとき、残る解はどれか。
- と、実数がもう 1 つ
- と
- と
まちがえやすい点
共役が和と積を素通りする。その一点だけで、解の並びに実軸対称という強い制限がかかる。











3−i が解なら 3+i も解になる。ここまでで 3 つ決まり、残る 1 つは共役の相手を持たないので実数である。−2 に決まる理由はどこにもなく、−3+i は共役ではなく符号を全部変えた数になる。