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二次方程式の解の公式は平方完成を文字のまま進めれば導ける

を、公式を使わずに解いてみます。まず両辺を で割る。

の係数 の半分は です。その 2 乗 を両辺に足すと、左辺が 2 乗の形にまとまります。

平方根をとると 、移項して

数のかわりに文字で同じ手順を通したものが、解の公式です。

文字のまま進める

とします。 でなければ二次方程式になりません。

両辺を で割ります。

定数項を右へ移す。

の係数 の半分は です。その 2 乗を両辺に足します。

右辺を で通分する。 だから、分子は になります。

ここまでの 4 行は、冒頭の数値の計算と 1 行ずつ対応しています。

両辺を a で割る

定数項を右へ移す

x の係数の半分の 2 乗を両辺に足す

平方根をとって移項する

欠けている正方形を足す

の係数の半分の 2 乗を足す、という手順は面積で読めます。 の正方形の右と下に、幅 の帯を貼りつける。

帯 2 本の面積を合わせると で、もとの の項に一致します。右下だけが欠けているので、そこを埋めれば正方形。

埋めた面積が です。左辺に足したぶんは右辺にも足します。

平方根をとるときの分母

右辺が 以上なら平方根がとれます。

分母の です。 が負のときは なので、そのまま とは書けません。

ただし右辺には がついている。 は符号が違うだけだから、 が両方を拾って、値の組としては同じ 2 つになります。

を右へ移せば、解の公式が出そろいます。

根号の中身 を判別式といい、 と書きます。ここが負だと平方根をとる段階で止まる。

異なる 2 つの実数解
重解が 1 つ
実数解なし

例:

冒頭と同じ式を、今度は公式に当てます。

平方完成でたどり着いた答えと一致しました。公式は手順を先にすませたものなので、当然そうなります。

例:

です。 になる。

根号の中身が なので、 が効かず解は 1 つ。 と因数分解しても同じ値になります。

例:

です。負の数の平方根は実数の範囲にありません。

実数解なし、と答えます。グラフでいえば、放物線が 軸に届いていない状態。

例: が偶数のとき

と書けるときは、公式の が約分できます。

なら です。

もとの公式でも となり、約分すれば同じ形。根号の中が の倍数になるぶん、こちらは約分の手間が減ります。

軸から等しく離れた 2 点

解の公式は と 2 つに切って読めます。前半は放物線 の軸そのもの。

平方完成した形を見ると、頂点の 座標が だと分かります。 の部分が、軸から解までの距離。

を公式で解くと です。軸の を中心に、 ずつ左右へ離れている。

になると、この幅が消えます。2 つの解が軸の上で重なった状態が重解です。

放物線と 軸の交点の 座標が、二次方程式の実数解にあたります。

交点が 2 個なら異なる 2 解、1 個なら重解、0 個なら実数解なし。

よくある誤り

符号のとり違えが多い箇所です。 が負のとき、公式の は正の数になります。

なら で、 から 。ここで のままにすると、符号が反対の答えになる。

分母も落としやすい。 で割るのは と根号の両方であって、根号だけではありません。

の符号を、 の符号のまま書いてしまう。
分母の と書いてしまう。
が負のとき、 を負のままにしてしまう。
約分できる形で止めてしまう。

3 番目は のような式で起きます。 となり、

の解はどれですか。

__RESULT__

は偶数なので です。 になります。 の符号をとり違えた形。

解の公式で の中に入るのはどれですか。

__RESULT__

平方完成で右辺を に通分したとき、分子が になりました。 と直したところから、 と符号が決まっています。

平方完成を数でやるか文字でやるかの違いしかありません。公式を忘れたら、 の係数の半分の 2 乗を足すところから書き直せます。

$2x^2 + 5x + 1 = 0$ を平方完成で解き、同じ手順を $ax^2 + bx + c = 0$ でなぞります。$x$ の係数の半分の 2 乗を足す操作は、$x^2$ の正方形に帯を貼って欠けた角を埋める形。平方根をとると分母に $\sqrt{4a^2} = 2|a|$ が出ますが、$\pm$ が符号を両方拾うため $2a$ と書けます。$b$ が偶数のときに約分できる形、軸から等しく離れた 2 点として解が並ぶこと、$-b$ の符号のとり違えまで。