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二次方程式において複素数の2重解は存在しますか?

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私も全く同じ問いを以前考えたことがあります。


先に、細かい点で申し訳ないのですが質問文を修正させてください。質問の意図は「x=2x=2などの実数の重解は存在するが、ii52i5-2iといった『虚数』を重解に持つ2次方程式は存在するか」ということだと思います。(実数は複素数の範囲に含まれるので、この質問だと複素数であればなんでもOK、つまり実数でもいいということになってしまいます)。ですからそのような意図であれば質問文として「〜〜 虚数の重解は存在しますか」が適当です。


回答です。


整数係数であれば存在しません。

2次方程式の解の公式をよくみてください。

x=b±D2ax=\dfrac{-b\pm\sqrt{D}}{2a}

ただしD=b24ac\text{ただし}D=b^2-4ac

2次方程式の解として虚数が出てくるのはどんなときでしたか?

判別式 DD が負になったときでしたね。

解の公式には±D\pm\sqrt{D}という部分がありますから、DD00でない限り、ここで2つの異なる解が生まれてしまいます。

よって整数係数の2次方程式に虚数の重解は存在しません。


ですが、係数が複素数の範囲であれば話は別です。x=α,βx=\alpha, \beta を解に持つ2次方程式の作り方は簡単で、

(xα)(xβ)=0 (x-\alpha)(x-\beta)=0

という2次方程式を作れば良いですね。それではx=ix=iを重解にもつ2次方程式を作ってみましょう(スクロールする前に手を動かしてみてください)

x=ix=iが重解ですから、

(xi)2=0 (x-i)^2=0

とすれば良いですね。展開してやると

x22i+1=0 x^2-2i+1=0

となって係数に虚数があらわれました。


まとめです。

整数係数の2次方程式では虚数の重解は存在しません(実は3次以上でも同様です)。

複素数係数では虚数を重解に持つような2次方程式も作ることができます。


最後に練習問題です。ご査収ください

x=12ix=1-\sqrt{2}iを重解にもつ2次方程式を一つ作れ。

返信(1件)

すみません、「整数係数」ではなく「実数係数」とすべきでした

質問者からのお礼コメント

質問者からのお礼コメント

疑問が晴れましたありがとうございます😭😭

そのほかの回答(1件)

実数係数の二次方程式においては、虚数の重解は存在しません。(ちなみに質問の意図とは逸れますが、実数も複素数です)

判別式 D=b24acD=b^2-4ac の符号によって、

{D>0    異なる2つの実数解D=0    ただ1つの実数解(重解)D<0    実数解をもたない(異なる2つの虚数解をもつ)\begin{cases} D>0 \iff \text{異なる2つの実数解} \\ D=0 \iff \text{ただ1つの実数解(重解)} \\ D<0 \iff \text{実数解をもたない(異なる2つの虚数解をもつ)} \end{cases}

と判別できます。しかし、係数が複素数の二次方程式には虚数の重解も存在します。

簡単な例だと、

x22ix1=0    (xi)2=0    x=i\begin{aligned} &x^2-2ix-1 =0 \\&\iff (x-i)^2 = 0 \\&\iff x = i\end{aligned}

のようなものが挙げられます。

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