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003:指数方程式(1)
難易度:
★★★
レンレン
2009/04/21 17:08
xの指数方程式
3
x
+4
x
=5
x
について,
(1)xが
自然数
の時,解を
全て
求めて下さい.
(2)xが
実数
の時,解を
全て
求めて下さい.
[コメント]
(1)(2)ともに求めた解がそれで全てであることも砕けた証明で構いませんから説明して下さい
【
(1)2
(2)2
】
回答募集は終了しました。
▲
△
▽
▼
No.1
(1)2
(2)解なし
wowka
2009/04/21 19:37
お願いします
レンレン
(1)は正解ですが,(2)は違いますね.整数も実数のうちです.
▲
△
▽
▼
No.2
1、xに1を代入すると
3+4=5 成立しない ・・・@
xに2を代入すると
9+16=25 成立する・・・A
x≧3のとき
フェルマーの定理が成立するので
(xのn乗+yのn乗=zのn乗
n≧3のとき xyzのような数は存在 しない)・・・B
@ABから 解は2のみとなる
いいもも
2009/04/21 21:56
とりあえず1番を解いたので
2番はじっくり解きます。
レンレン
(1)は完璧ですね.正解です
▲
△
▽
▼
No.3
底について0<a<bの大小関係があるなら、x>0のときa^x<b^xの大小関係に。
逆にx<0ならa^x>b^xになる。
この関係を使う。
3^x+4^x=5^x
x=2が解なのは簡単に確認できる。
したがってそれ以外について考える。
x=y+2とおく。
x>2のときy>0である。
3^x+4^x
=3^(y+2)+4^(y+2)
=9*3^y+16*4^y
<9*5^y+16*5^y
=25*5^y
=5^(2+y)
=5^x
逆にx<2のとき
3^x+4^x
=3^(y+2)+4^(y+2)
=9*3^y+16*4^y
>9*5^y+16*5^y
=25*5^y
=5^(2+y)
=5^x
したがって
x>2なら3^x+4^x<5^x
x<2なら3^x+4^x>5^x
となる。
ゆえに "実数" xについて、等号が成立するのはx=2のとき、ただそのときに限る。
答え:x=2のみ。
ボムボム
2009/04/21 22:39
こんな感じでいかがでしょうか?
レンレン
(簡潔かつ明瞭な)証明も含めて完璧な解答ですね
大正解です!!
▲
△
▽
▼
No.4
1.整数解は x=2 のみ
フェルマー・ワイルズの定理より、x>2 では解はない。
また、x<-2 でも解がない。
残った整数に対して直接計算すると、
x=2 の時は成り立つが、他の場合は成り立たない。
よって整数解は x=2 のみ。
fyh
2009/04/21 23:11
2はまだ考えていません
レンレン
その定理の使用は2人目ですね.(1)もちろん正解です
▲
△
▽
▼
No.5
(2)整数も実数のうちという事から、
結局(2)も(1)と同じ「2」ですね。
証明としては有名どころとして、ピタゴラスの定理が利用できるかと。
wowka
2009/04/22 01:41
再度、お願いします。
レンレン
回答はあっているのですが,証明が…
▲
△
▽
▼
No.6
2.実数解は x=2 のみ
証明
xが有限であれば 5^x>0
(x→-∞ のときは成り立たないが∞は数ではないので無視する。なお、x→-∞ のときは直接の計算で 3^x+4^x=5^x を満たすことが分かる。)
f(x)=(3^x+4^x)/5^x とすると、もとの方程式は f(x)=1 となる。
f'(x)=log(3/5)*3^x+log(4/5)*4^x だが、
log(3/5),log(4/5)<0 3^x,4^x>0 より f(x)は単調減少。
よって f(x)=1 の解は1つしかなく、1.で求めた x=2 のみが解となる。
fyh
2009/04/23 00:24
こんな感じでいいでしょうか
レンレン
微分を使った解法はここでは初めてですね
正解です
▲
△
▽
▼
No.7
・(2)が解ければ(1)は自動的に解けるので,(2)だけ解きます。「f(x)=5
x
-3
x
-4
x
」とおきます。まず,f(2)=0なのでx=2は解の一つです。
・次に,x>2のときにf(x)<>0であることを証明します。x-2>0なので,
f(x)
=5
x
-3
x
-4
x
=(5
2
)*(5
x-2
)-(3
2
)*(3
x-2
)-(4
2
)*(4
x-2
)
=(5
2
)*(5
x-2
)-(3
2
)*(3
x-2
)-(5
2
-3
2
)*(4
x-2
)
=(5
2
)*(5
x-2
-4
x-2
)-(3
2
)*(3
x-2
-4
x-2
)
>(5
2
)*(
4
x-2
-4
x-2
)-(3
2
)*(
4
x-2
-4
x-2
)
=0
つまり,x>2であればf(x)>0となるのでf(x)<>0
・最後に,x>2のときにf(x)<>0であることを証明します。x-2<0なので,
f(x)
=(5
2
)*(5
x-2
-4
x-2
)-(3
2
)*(3
x-2
-4
x-2
)
<(5
2
)*(5
x-2
-
5
x-2
)-(3
2
)*(3
x-2
-
3
x-2
)
=0
つまり,x<2であればf(x)<0となるのでf(x)<>0
QED
なんき
2009/04/24 00:44
(2)だけ解いてみましたがいかがでしょうか。
レンレン
16行目の不等号の向きが逆(明らかに入力ミスなので無視)ですが,正解です
▲
△
▽
▼
No.8
レンレン
2009/04/26 19:29
正解発表です.
与えられた方程式の両辺を4
x
で割ると,
(3/4)
x
+1=(5/4)
x
この両辺をそれぞれyと置くと,
左辺については,y=(3/4)
x
+1 …(a)
右辺については,y=(5/4)
x
…(b)
明らかに(a)は減少関数,(b)は増加関数であるので,グラフの交点は高々1個である.よってx=2はこの方程式を満たすが,これだけが解となる.
以上により,(1)(2)の設問の答えはx=2
※証明としては砕けていますが,条件よりこの程度で構いません.完璧な証明としては,回答者の方々のものを参照して下さい.ちなみに,設問(1)(2)に分けたのも,解を「全て」求めて下さい,と言う風に注文をつけたのも全て惑わしでした
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