みなさん、こんにちは。数学ⅠAのコーナーです。今回のテーマは【不定方程式】です。 たなかくん そもそも不定方程式って何??どうやって解けばいいの? 結論から言うと、一次不定方程式とは、方程式の数よりも未知変数の数が多いような方程式のことです。(よくわからないですよね?) そこで、今回は、まず不定方程式とはどのような式か定義を解説した上で一次不定方程式の解き方を解説します。最後に一次不定方程式についての練習問題もあるので、ぜひ問題を解いてみましょう。 きっと、この記事を読み終わったときには、一次不定方程式の問題が解けるようになっています。では、始めていきましょう。 この記事を15分で読んでできること ・不定法方程式とは何かがわかる ・不定方程式の解き方がわかる ・自分で実際に不定方程式を解ける そもそも不定方程式って何? 先程もいいましたが、不定方程式とは「 無数に解のある方程式 」のことです。 これまでは、x+3=5のようにxが1つに決まる式やx+y=5, x-y=-1のようにx・yがそれぞれ1つに決まる式を扱ってきました。しかし、今回の不定方程式では、 x・yが1つに決まらず、その方程式を満たすx・yが無数に存在します 。 例えば、一次不定方程式x+2y-3=0を見ていきましょう。 この方程式の整数解としてx=1, y=1が挙げられます。ただし、この式は一次不定方程式なので、解はこれだけではありません。他にも (x, y)=(3, 0), (5, -1), (7, -2)など無数に解が存在しているのです 。 一次不定方程式を解くってどういうこと?
上の色付けでいうと,しばらく 赤 が続きますが,だんだん 青く なっていき,最後に 真っ青 になればOKです.そのときの係数が特殊解です. 余り と 方程式の係数 を大切に扱い,式変形していきましょう. 練習問題 練習 (1) $133x-30y=1$ を満たす整数 $(x, y)$ の組を1組求めよ. (2) $85x+206y=1$ を満たす整数 $(x, y)$ の組を1組求めよ. (3) $162x+125y=2$ を満たす整数 $(x, y)$ の組を1組求めよ. 練習の解答
)ともいえる裏ワザは、グラフ、図形といった単元でもかなり活用して指導しています。 もしほかにも興味があれば、体験指導などを通じて紹介していこうと思います。 いつもブログをご覧いただきありがとうございます。 ブログのご感想やご意見をコメントやメールでお待ちしております。 『共育』の個人家庭教師のリーズ 新名 お問い合わせ先 事情により、非通知発信のお電話にはお答えできません。 勉強が苦手であることはもちろん、 何かに悩み苦しんでいる、誰かに相談にのってほしい、 そんな困っているお子様に... リーズの家庭教師 はいつでもお子様の強い味方になります! 一緒に頑張りましょう!! 勉強のコツ・やり方がわからない、 お子様の成績を伸ばしたいなどお困りのご家庭は、 下のお問い合わせより リーズの家庭教師 にぜひご相談ください。 ↓↓↓ 『共育』の家庭教師のリーズ としての考え方に、 何か少しでも見てる方の共感を得て、 メールやコメントなど温かいメッセージ頂きまして、 心からの感謝を申し上げます。 どのランキングにも リーズの家庭教師 が参加しています! [mixi]たぶん二元一次方程式だと思うんですが… - 中学数学の裏技 | mixiコミュニティ. クリックいただくとランキングに投票されますので、 ぜひご協力をお願いいたします。 下記のバナーをクリック ↓↓↓
この記事を読むとわかること ・不定方程式とは ・入試問題で出される不定方程式の4パターンが何なのか ・不定方程式のそれぞれのパターンに対応する問題例や解き方 不定方程式とは? 未知数の数が方程式の数より多い方程式のこと 不定方程式とは、方程式の数よりも未知数の数が多いような方程式のこと です。つまり、$x, \, y$の2文字があって2つ方程式があればただの連立方程式になりますが、式が1つしかない場合には不定方程式と呼ばれ、解が無数に存在します。そこで、大学入試問題では 不定方程式において解を整数解だけに限定 して解を求めさせる問題が非常によく出題されます。 不定方程式に関する入試問題には大きく分けて4パターンある 入試問題で出題される不定方程式には大きく分けて、 2元1次不定方程式 、 2元2次不定方程式(因数分解可能)、2元2次不定方程式(因数分解不可能) 、 3文字以上の分数の不定方程式 の4パターンがあります 。 不定方程式のパターンにはもちろんもっとたくさんあるんですが、 私の経験上、これ以外の不定方程式の問題が出題されているのはほとんど見たことがありません 。 それぞれのパターンにおいて解法は決まりきっているので、解き方を覚えてしまえば怖いものはありません!
このようにして、$x$の候補を有限個に絞ることができました。 あとは、求めた候補を代入して、全く同じ作業を繰り返していくことで答えが求まります。 $x\leqq y\leqq z$の条件のもと、適する組は、 の3組になります。 $x\leqq y\leqq z$の固定を外すと、求める組の数は、 とわかります。 最後に自分で設定した大小関係の設定を外す作業は非常に忘れやすいので気をつけましょう! まとめ ・不定方程式には2元1次、2元2次(因数分解可能)、2元2次(因数分解不可能)、対称な3文字以上の4パターンがある ・2元1次不定方程式は適する解を見つけて、代入した式を辺々引けばOK ・2元2次不定方程式は2次の部分が因数分解可能なら()()=整数の形に因数分解する ・2次の部分が因数分解できなければ片方の文字についての2次方程式の判別式≧0を考える ・対称な3文字以上の方程式は大小関係を定めて候補を有限個にして調べることを繰り返せば解ける 塾・家庭教師選びでお困りではありませんか? 家庭教師を家に呼ぶ必要はなし、なのに、家で質の高い授業を受けられるという オンライン家庭教師 が最近は流行ってきています。おすすめのオンライン家庭教師サービスについて以下の記事で解説しているので興味のある方は読んでみてください。 私がおすすめするオンライン家庭教師のランキングはこちら!
2. 4 等電位線(等電位面) 先ほど、電場は高電位から低電位に向かっていると説明しました。 以下では、 同じ電位を線で結んだ「 等電位線 」 について考えていきます。 上図を考えてみると、 電荷を等電位線に沿って運んでも、位置エネルギーは不変。 ⇓ 電荷を運ぶのに仕事は不要。 等電位線に沿って力が働かない。 (等電位線)⊥(電場) ということが分かります!特に最後の(等電位線)⊥(電場)は頭に入れておくと良いでしょう! 2. 5 例題 電位の知識が身についたかどうか、問題を解くことで確認してみましょう! 問題 【問】\( xy \)平面上、\( (a, \ 0)\) に電荷 \( Q \)、\( (-a, \ 0) \) に電荷 \( -Q \) の点電荷があるとする。以下の点における電位を求めよ。ただし無限を基準とする。 (1) \( (0, \ 0) \) (2) \( (0, \ y) \) 電場のセクションにおいても、同じような問題を扱いましたが、 電場と電位の違いは向きを考慮するか否かという点です。 これに注意して解いていきましょう! それでは解答です! (1) 向きを考慮する必要がないので、計算のみでいきましょう。 \( \displaystyle \phi = \frac{kQ}{a} + \frac{k(-Q)}{a} = 0 \ \color{red}{ \cdots 【答】} \) (2) \( \displaystyle \phi = \frac{kQ}{\sqrt{a^2+y^2}} \frac{k(-Q)}{\sqrt{a^2+y^2}} = 0 \ \color{red}{ \cdots 【答】} \) 3. 確認問題 問題 固定された \( + Q \) の点電荷から距離 \( 2a \) 離れた点で、\( +q \) を帯びた質量 \( m \) の小球を離した。\( +Q \) から \( 3a \) 離れた点を通るときの速さ \( v \)、および十分に時間がたった時の速さ \( V \) を求めよ。 今までの知識を総動員する問題です 。丁寧に答えを導き出しましょう!
等高線も間隔が狭いほど,急な斜面を表します。 そもそも電位のイメージは "高さ" だったわけで,そう考えれば電位を山に見立て,等高線を持ち出すのは自然です。 ここで,先ほどの等電位線の中に電気力線も一緒に書き込んでみましょう! …気付きましたか? 電気力線と等電位線(の接線)は必ず垂直に交わります!! 電気力線とは1Cの電荷が動く道筋のことだったので,山の斜面を転がるボールの道筋をイメージすれば,電気力線と等電位線が必ず垂直になることは当たり前!! 等電位線が電気力線と垂直に交わるという事実を知っておけば,多少複雑な場合の等電位線も書くことができます。 今回のまとめノート 電場と電位は切っても切り離せない関係にあります。 電場があれば電位も存在するし,電位があれば電場が存在します。 両者の関係について,しっかり理解できるまで問題演習を繰り返しましょう! 【演習】電場と電位の関係 電場と電位の関係に関する演習問題にチャレンジ!... 次回予告 電場の中にあるのに,電場がないものなーんだ? …なぞなぞみたいですが,れっきとした物理の問題です。 この問題の答えを次の記事で解説します。お楽しみに!! 物体内部の電場と電位 電場は空間に存在しています。物体そのものも空間の一部と考えて,物体の内部の電場の様子について理解を深めましょう。...
同じ符号の2つの点電荷がある場合 点電荷の符号を同じにするだけです。電荷の大きさや位置をいろいる変えてみると面白いと思います。
5, 2. 5, 0. 5] とすることもできます) 先ほど描いた 1/r[x, y] == 1 のグラフを表示させて、 ツールバーの グラフの変更 をクリックします。 グラフ入力ダイアログが開きます。入力欄の 1/r[x, y] == 1 の 1 を、 a に変えます。 「実行」で何本もの等心円(楕円)が描かれます。これが点電荷による等電位面です。 次に、立体グラフで電位の様子を見てみましょう。 立体の陽関数のプロットで 1/r[x, y] )と入力します。 グラフの範囲は -2 < x <2 、は -2 < y <2 、 また、自動のチェックをはずして 0 < z <5 、とします。 「実行」でグラフが描かれます。右上のようになります。 2.
2 電位とエネルギー保存則 上の定義より、質量 \( m \)、電荷 \( q \) の粒子に対する 電場中でのエネルギー保存則 は以下のように書き下すことができます。 \( \displaystyle \frac{1}{2}mv^2+qV=\rm{const. } \) この運動が重力加速度 \( g \) の重力場で行われているときは、位置エネルギーとして \( mg \) を加えるなどして、柔軟に対応できるようにしましょう。 2. 3 平行一様電場と電位差 次に 電位差 ついて詳しく説明します。 ここでは 平行一様電場 \( E \)(仮想的に平行となっている電場)中の荷電粒子 \( q \) について考えるとします。 入試で電位差を扱う場合は、平行一様電場が仮定されていることが多いです。 このとき、電荷 \( q \) にはクーロン力 \( qE \) がかかり、 エネルギーと仕事の関係 より、 \displaystyle \frac{1}{2} m v^{2} – \frac{1}{2} m v_{0}^{2} & = \int_{x_{0}}^{x}(-q E) d x \\ & = – q \left( x-x_{0} \right) \( \displaystyle ⇔ \frac{1}{2}mv^2 + qEx = \frac{1}{2}m{v_0}^2+qEx_0 \) 上の項のうち、\( qEx \) と \( qEx_0 \) がそれぞれ位置エネルギー、すなわち電位であることが分かります。 よって 電位 は、 \( \displaystyle \phi (x)=Ex+\rm{const. } \) と書き下すことができます。 ここで、 「電位差」 を 「二点間の電位の差のこと」 と定義すると、上の式より平行一様電場においては以下の関係が成り立つことが分かります。 このことから、電位 \( E \) の単位として、[N/C]の他に、[V/m]があることもわかります! 2. 4 点電荷の電位 次に 点電荷の電位 について考えていきましょう。点電荷の電位は以下のように表記されます。 \( \displaystyle \phi = k \frac{Q}{r} \) ただし 無限遠を基準 とする。 電場と形が似ていますが、これも暗記必須です! ここからは 電位の導出 を行います。 以下の電位 \( \phi \) の定義を思い出しましょう。 \( \displaystyle \phi(\vec{r})=- \int_{\vec{r_{0}}}^{\vec{r}} \vec{E} \cdot d \vec{r} \) ここでは、 座標の向き・電場が同一直線上にあるとします。 つまりベクトル量で考えなくても良いということです(ベクトルのままやっても成り立ちますが、高校ではそれを扱うことはないため省略)。 このとき、点電荷 \( Q \) のつくる 電位 は、 \( \displaystyle \phi(r) = – \int_{r_{0}}^{r} k \frac{Q}{r^2} d r = k Q \left( \frac{1}{r} – \frac{1}{r_0}\right) \) で、無限遠を基準とすると(\( r_0 ⇒ ∞ \))、 \( \displaystyle \phi(r) = k \frac{Q}{r} \) となることが分かります!
東大塾長の山田です。 このページでは、 「 電場と電位 」について詳しく解説しています 。 物理の中でも何となくの理解に終始しがちな電場・電位の概念について、詳しい説明や豊富な例・問題を通して、しっかりと理解することができます 。 ぜひ勉強の参考にしてください! 0. 電場と電位 まずざっくりと、 電場と電位 について説明します。ある程度の前提知識がある人はこれでもわかると思います。 後に詳しく説明しますが、 結局は以下のようにまとめることができる ことは頭に入れておきましょう 。 電場と電位 単位電荷を想定して、 \( \left\{\begin{array}{l}\displaystyle 受ける力⇒電場{\vec{E}} \\ \displaystyle 生じる位置エネルギー⇒電位{\phi}\end{array}\right. \) これが電場と電位の基本になります 。 1. 電場について それでは一つ一つかみ砕いていきましょう 。 1. 1 電場とは 先ほど、 電場 とは 「 静電場において単位電荷を想定したときに受ける力のこと 」 で、単位は [N/C] です。 つまり、電場 \( \vec{E} \) 中で電荷 \( q \) に働く力は、 \( \displaystyle \vec{F}=q\vec{E} \) と書き下すことができます。これは必ず頭に入れておきましょう! 1. 2 重力場と静電場の対応関係 静電場についてイメージがつきづらいかもしれません 。 そこで、高校物理においても日常生活においても馴染み深い(? )であろう 重力場との関係 について考えてみましょう。 図にまとめてみました。 重力 (静)電気力 荷量 質量 \(m\quad[\rm{kg}]\) 電荷 \(q \quad[\rm{C}]\) 場 重力加速度 \(\vec{g} \quad[\rm{m/s^2}]\) 静電場 \(\vec{E} \quad[\rm{N/C}]\) 力 重力 \(m\vec{g} \quad[\rm{N}]\) 静電気力 \(q\vec{E} \quad[\rm{N}]\) このように、 電場と重力場を関連させて考えることで、丸暗記に陥らない理解へと繋げることができます 。 1. 3 点電荷の作る電場 次に 点電荷の作る電場 について考えてみましょう。 簡単に導出することができますが、そのためには クーロンの法則 について理解する必要があります(クーロンの法則については こちら )。 点電荷 \( Q \) が距離 \( r \) 離れた点に作る電場の強さを考えていきましょう 。 ここで、注目物体は点電荷 \( q \) とします。点電荷 \( Q \) の作る電場を求めたいので、 点電荷\(q\)(試験電荷)に依らない量を考えることができるのが理想です。 このとき、試験電荷にかかる力 \( \vec{F} \) は と表すことができ、 クーロン則 より、 \( \displaystyle \vec{F}=k\displaystyle\frac{Qq}{r^2} \) と表すことができるので、結局 \( \vec{E} \) は \( \displaystyle \vec{E} = k \frac{Q}{r^2} \) となります!
高校の物理で学ぶのは、「点電荷のまわりの電場と電位」およびその重ね合わせと 平行板間のような「一様な電場と電位」に限られています。 ここでは点電荷のまわりの電場と電位を電気力線と等電位面でグラフに表して、視覚的に理解を深めましょう。 点電荷のまわりの電位\( V \)は、点電荷の電気量\( Q \)を、電荷からの距離を\( r \)とすると次のように表されます。 \[ V = \frac{1}{4 \pi \epsilon _0} \frac{Q}{r} \] ここで、\( \frac{1}{4 \pi \epsilon _0}= k \)は、クーロンの法則の比例定数です。 ここでは係数を略して、\( V = \frac{Q}{r} \)の式と重ね合わせの原理を使って、いろいろな状況の電気力線と等電位面を描いてみます。 1. ひとつの点電荷の場合 まず、原点から点\( (x, y) \)までの距離を求める関数\( r = \sqrt{x^2 + y^2} \)を定義しておきましょう。 GCalc の『計算』タブをクリックして計算ページを開きます。 計算ページの「新規」ボタンを押します。またはページの余白をクリックします。 GCalc> が現れるのでその後ろに、 r[x, y]:= Sqrt[x^2+y^2] と入力して、 (定義の演算子:= に注意してください)「評価」ボタンを押します。 (または Shift + Enter キーを押します) なにも返ってきませんが、原点からの距離を戻す関数が定義できました。 『定義』タブをクリックして、定義の一覧を確認できます。 ひとつの点電荷のまわりの電位をグラフに表します。 平面の陰関数のプロットで、 \( V = \frac{Q}{r} \) の等電位面を描きます。 \( Q = 1 \) としましょう。 まずは一本だけ。 1/r[x, y] == 1 (等号が == であることに注意してください)と入力します。 グラフの範囲は -2 < x <2 、 -2 < y <2 として、実行します。 つぎに、計算ページに移り、 a = {-2. 5, -2, -1. 5, -1, -0. 5, 0, 0. 5, 1, 1. 5, 2, 2. 5} と入力します。このような数式をリストと呼びます。 (これは、 a = Table[k, {k, -2.