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Memorandum

数学編

M.Hiroi の数学に関する覚え書です
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基本編

●累乗

同じ数 a を n 回掛け算する演算を「累乗」または「べき乗」といい、\(a^n\) と表記します。このとき、a を「底」といい、n を「指数」といいます。

\(a^n = \underbrace{a \times a \times \cdots \times a}_{n}\)

\(a, \, b\) を 0 ではない実数、\(m, \, n\) を正の整数とすると、以下の公式が成り立ちます。

  1. \(a^m \times a^n = a^{m+n}\)
  2. \({a^m} \div {a^n} = a^{m-n} \quad (m \gt n)\)
  3. \((a^m)^n = a^{mn}\)
  4. \((ab)^n = a^n b^n\)
  5. \(\left(\dfrac{a}{b}\right)^n = \dfrac{a^n}{b^n}\)

次の定義を追加すると、指数を整数まで拡張することができます。公式 2 の条件も不要になります。

定義 \(\sqrt[n]{a} = a^{\frac{1}{n}} \) を追加すると、指数を有理数 (分数) まで拡張することができます。

指数は実数や複素数に拡張することもできます。

●対数

\(y = a^x\) のとき、x は a を底とする y の対数といい、\(x = \log_a y, \ (a \gt 0, a \ne 1)\) と書きます。底が 10 の対数を常用対数、e (ネイピア数 2.718281828459045) の対数を自然対数、2 の対数を二進対数といいます。

対数には次の公式が成立します。

  1. \(\log_{a}(RS) = \log_{a}R + \log_{a}S\)
  2. \(\log_{a}{\dfrac{R}{S}} = \log_{a}R - \log_{a}S\)
  3. \(\log_{a}{R^n} = n\log_{a}R\)
  4. \(\dfrac{\log_{a}R}{\log_{a}S} = \log_{S}R\)

●順列と組み合わせ

●式の展開と因数分解

  1. \((a + b)^{2} = a^{2} + 2 a b + b^{2}\)
  2. \((a - b)^{2} = a^{2} - 2 a b + b^{2}\)
  3. \((a - b) (a + b) = a^{2} - b^{2}\)
  4. \((x + a) (x + b) = x^{2} + (a + b) x + a b\)
  5. \((ax + b) (cx + d) = acx^2 + (ad + bc)x + bd\)
  6. \((a + b)^3 = a^3 + 3a^2b + 3ab^2 + b^3\)
  7. \((a - b)^3 = a^3 - 3a^2b + 3ab^2 - b^3\)
  8. \((a + b)(a^2 - ab + b^2) = a^3 + b^3\)
  9. \((a - b)(a^2 + ab + b^2) = a^3 - b^3\)
  10. \((a + b + c)^2 = a^2 + b^2 + c^2 + 2bc + 2ca + 2ab\)

●部分分数

●二次方程式

二次方程式 \(ax^2 + bx + c = 0 \ (a \ne 0)\) の解

\( x = \dfrac{-b\pm\sqrt{b^2-4ac}}{2a} \)

二次方程式 \(ax^2 + bx + c = 0 \ (a \ne 0)\) の 2 つの解を \(\alpha, \beta\) とすると、判別式は以下のように書くこともできます。

\( D = a^2 (\alpha - \beta)^2 \)
[証明]
\(\begin{array}{l} \alpha + \beta = \dfrac{-b + \sqrt{b^2-4ac}}{2a} + \dfrac{-b - \sqrt{b^2-4ac}}{2a} = -\dfrac{b}{a} \\ \alpha \times \beta = \dfrac{-b + \sqrt{b^2-4ac}}{2a} \times \dfrac{-b - \sqrt{b^2-4ac}}{2a} = \dfrac{c}{a} \end{array}\)
より

\(\begin{eqnarray} a^2 (\alpha - \beta)^2 &=& a^2 \left(\alpha^2 -2\alpha\beta + \beta^2\right) \\ &=& a^2 \left(\left(\alpha + \beta\right)^2 -4\alpha\beta\right) \\ &=& a^2 \left(\left(-\dfrac{b}{a}\right)^2 -4\dfrac{c}{a}\right) \\ &=& b^2 - 4 a c \end{eqnarray}\)

●平方完成

二次式 \(ax^2 + bx + c \ (a \ne 0)\) を \(a(x - p)^2 + q\) の形に変形することを「平方完成」といいます。

二次方程式 \(ax^2 + bx + c = 0 \ (a \ne 0)\) の解の導出

\(\begin{array}{l} ax^2 + bx + c = a\left(x^2 + \dfrac{b}{a}x\right) + c = a\left(x + \dfrac{b}{2a}\right)^2 - \dfrac{b^2}{4a} + c = 0 \\ \left(x + \dfrac{b}{2a}\right)^2 = \dfrac{b^2 - 4ac}{4a^2} \\ x + \dfrac{b}{2a} = \pm \dfrac{\sqrt {b^2 - 4ac}}{2a} \\ x = \dfrac{-b \pm \sqrt {b^2 - 4ac}}{2a} \end{array}\)

●不等式

●数列と級数

等差数列

次のように、一定の差で並んだ数列を「等差数列」といいます。

\(a, \ a + d, \ a + 2d, \ a + 3d, \ \cdots, \ a + (n - 1)d, \ \cdots\)

a を「初項」、d を「公差」といいます。等差数列の一般項は次の式で表すことができます。

\(a_n = a + (n-1)d\)

初項から \(a_n\) までの和 \(S_n\) は次の式で求めることができます。

\(S_n = \displaystyle \sum_{i=1}^{n} a_i = \frac{n(2a + (n - 1)d)}{2}\)

この公式は次のように導出することができます。

\(\begin{eqnarray} S_n &=& a &+& (a + d) &+& \cdots \ &+& (a + (n - 2)d) &+& (a + (n - 1)d)\\ S_n &=& (a + (n - 1)d) &+& (a + (n - 2)d) &+& \cdots \ &+& (a + d) &+& a \end{eqnarray}\)

足し算すると

\(\begin{array}{l} 2S_n = (2a + (n - 1)d) + (2a + (n - 1)d) + \cdots + (2a + (n - 1)d) + (2a + (n - 1)d) \\ 2S_n = n(2a + (n - 1)d) \\ S_n = \dfrac{n(2a + (n - 1)d)}{2} \end{array}\)

このように、右辺を逆順に並べ替えて足し算すると、\(2a + (n - 1)d\) が \(n\) 個並ぶことになります。あとは、これを 2 で割り算すればいいわけです。

等比数列

次のように、一定の比で並んだ数列を「等比数列」といいます。

\(a, \ ar, \ ar^2, \ \cdots, \ ar^{n-1}, \ \cdots\)

a を「初項」、d を「公比」といいます。等比数列の一般項は次の式で表すことができます。

\(a_n = ar^{n-1}\)

初項から \(a_n\) までの和 \(S_n\) は次の式で求めることができます。

\(S_n = \displaystyle \sum_{i=1}^{n} a_i = \dfrac{a(1 - r^n)}{1 - r}\)

この公式は次のように導出することができます。

\( S_n = a + ar + ar^2 + \cdots + ar^{n-1} \)

両辺を r 倍すると

\( rS_n = ar + ar^2 + \cdots + ar^{n-1} + ar^n \)

これを引き算すると

\(\begin{array}{l} S_n - rS_n = a - ar^n \\ S_n = \dfrac{a(1 - r^n)}{1 - r} \end{array}\)

右辺を引き算すると \(ar\) から \(ar^{n-1}\) の項がなくなって、\(a - ar^n\) だけになります。あとは、\(1 - r\) で割り算すればいいわけです。

数列の和

\(\begin{array}{ll} 1 + 2 + \cdots + n = \displaystyle \sum_{k=1}^n k = \dfrac{n(n+1)}{2} & (1) \\ 1^2 + 2^2 + \cdots + n^2 = \displaystyle \sum_{k=1}^n k^2 = \dfrac{n}{6}(n+1)(2n+1) & (2) \\ 1^3 + 2^3 + \cdots + n^3 = \displaystyle \sum_{k=1}^n k^3 = \dfrac{n^2}{4}(n+1)^2 & (3) \\ 1 \cdot 2 + 2 \cdot 3 + \cdots + n \cdot (n+1) = \displaystyle \sum_{k=1}^n k(k + 1) = \dfrac{1}{3}n(n+1)(n+2) & (4) \\ \dfrac{1}{1 \cdot 2} + \dfrac{1}{2 \cdot 3} + \cdots + \dfrac{1}{n \cdot (n+1)} = \displaystyle \sum_{k=1}^n \dfrac{1}{k(k + 1)} = \dfrac{n}{n+1} & (5) \end{array}\)

級数

SymPy での実行例

SymPy には数列を生成する関数 sequence() とその和を求める関数 summation() が用意されています。説明は拙作のページ お気楽 SymPy 超入門 数列と級数 をお読みくださいませ。


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