こんな質問がありました.
合わせて,色んな問題で「解」というものを考えるけれど,それって正確にはどういう意味?と.
何となくで数学をやっていると気にも留めないですが,ちゃんと知ろうとしたら躓くところです.
だって,高校数学のブラックボックスに近い部分ですから.
※文字ばかりで読みにくいですが,お許しを.
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さて,いつも書くことですが・・・
「条件」は,変数を含む数学的な文や式で,変数に具体的なものを代入するごとに命題になるものです.
その際,前提として,代入できるもの全体の集合を決めないといけません.
その集合の要素の中で,条件に代入して真になるもの全体の集合を考えて,その包含関係により,必要条件・十分条件という風に言われます.
実数θに関する条件として,
-1≦sinθ≦1 ……☆
⇔θは実数
⇔sinθ<2
⇔-5≦sinθ
です.どんなθでも成り立つ条件だからです.
また,全体集合が0≦θ<2πであるとき,
sinθ≧1/2
⇔π/6≦θ≦5π/6
⇔1/2≦sinθ≦1 ……☆
⇔1/2≦sinθ≦10
⇔1/2≦sinθまたはsinθ=-5
です.
sinθの値の範囲を表す条件としては☆ですが,他のものも条件としては同値です.
とりうる値の範囲や,方程式・不等式の解,軌跡の方程式などを答えるときは,条件の中でも☆にあたるものを答えよ,という意味になっているのだと思います.
(例)
正の実数xについての方程式(xの4乗)=1を解け.
※解くとは,解をすべて求めること.
※解とは,方程式に代入したら真の命題になるもののこと.
※解全体の集合を解と言うこともある.解け,と言われたら,こっちの意味.
(補足)
2x-1=0の解は1/2であって,正確にはx=1/2ではない.
x=1/2は,解が明示された形の方程式であって,解の表現としてこれも認める,となっているから,x=1/2と答えてもよい.
x=1/2は,xに1/2を代入したときのみ真になる条件.
xに1などを代入することもできるが,そのときは1=1/2という偽の命題になる.
(例の解答の一例)
正の実数xについての条件として,
(xの4乗)=1
⇔(xの2乗)=1または(xの2乗)=-1
⇔x=1またはx=-1またはx=iまたはx=-i
⇔x=1,-1 ←「または」を省略して,こう書いても良いことになっている
⇔x=1
である.よって,解は1(x=1と答えても良い).
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では,本題.
-1≦x≦1⇔x=sinθ(0≦θ<2π)
なのか?
そもそも,何についての条件なのか?
「-1≦x≦1」はxについての条件
「x=sinθ(0≦θ<2π)」はxとθについての条件
です.
xについての条件のだろうと思います.
なぜなら・・・
xとθの条件として考えるなら,xとθに数値を代入した命題を考えることになります.
例えば,x=0,θ=π/2として
-1≦0≦1 ならば 0=sinπ/2(0≦π/2<2π)
0=sinπ/2(0≦π/2<2π) ならば -1≦0≦1
を考えるのは,何とも奇妙だからです.
xの条件として考えるには,θが変数であってはならないので,
「x=sinθ(0≦θ<2π)となるθが存在する」
に変えないといけません.
xについての条件として,
-1≦x≦1
⇔x=sinθ(0≦θ<2π)となるθが存在する
です.
ついでながら,「解」について確認しておくと・・・
θに0以上2π未満の実数を代入して得られるxを“すべて”集めて得られる区間が-1≦x≦1.
この区間内にある各実数について,その数を表すθが“存在”する.
☝ ☝
友人の書いた本.来年の総合型などの対策に.
(例)
平面上に異なる2点A,Bがある.
同じ平面内の点Pについての条件として
A,B,Pが同一直線上にある
⇔(ベクトルAP)=t×(ベクトルAB) となる実数tが“存在する”
です.間違っても
A,B,Pが同一直線上にある
⇔(ベクトルAP)=t×(ベクトルAB)
と書いてはダメです.
(ベクトルAP)=t×(ベクトルAB)のtに実数を代入して得られるPを“すべて”集めたら,Pの描く図形(軌跡).
その軌跡上の各点に対して,その点を表す実数tが“存在”する.
(例)
整数m,nについての不定方程式3m+2n=1
3(m-1)+2(n+1)=0と変形できて,
3(m-1)=-2(n+1)
3,2は互いに素だから,
3(m-1)=-2(n+1)=6k
となる整数kが“存在”して,
m=2k+1,n=-3k-1
と表すことができる.
(それぞれの解に対して,整数kが“存在”する)
よって,解は,
m=2k+1,n=-3k-1
のkに整数を代入したものの“すべて”である.
条件の比較においては,変数が何であるかを見極めることが大事です.
何となくで「⇔」を使うことのないように.