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連立方程式と同値な連立方程式

連立方程式とは、すべてが同時に成り立つ必要がある方程式のグループです。2つの連立方程式の解がまったく同じとき、それらは同値といいます。式を入れ替える、0でない数を1つの式にかける、ある式の何倍かを別の式に足す。この3つの操作では同値のままなので、答えを失わずに式を簡単にできます。

🎬 ステップ別ストーリー

  1. 方程式 x + y = 5 を見よう。この赤い直線上のどの点でも成り立つ。答えは無数にある。
  2. 2つ目の方程式 x − y = 1(青い直線)を加える。連立方程式とは、両方が同時に成り立つということだ。
  3. 両方の直線の上にある点は1つだけ、(3, 2) だ。この点が連立方程式の解になる。
  4. 1つ目の式を2倍する。2x + 2y = 10 になる。直線は動かないので、答えは同じだ。
  5. 次に2つの式を足す。2x = 6、つまり直線 x = 3 になる。これも (3, 2) を通るので、新しい連立方程式は同値で、ずっと簡単だ。
  6. 君の番だ。スライダー k で、式2を(式2)+ k ×(式1)に変えてみよう。直線は回るけれど、いつも同じ点を通る。次に「0をかける」ボタンも試そう。

ヒント:3Dをドラッグすると回せます。2本指で拡大・縮小できます。

🤔 よくある疑問をスッキリ解決

方程式1つだけで、解が1つになることはある?

ない。未知数が2つの方程式1つには、直線上のすべての点という無数の解がある。2つ目の方程式が、そこから1点を選ぶ。

直線が交わらなかったらどうなる?

そのときは解なし。2本の直線は平行だ。

なぜ交点が解になるの?

交点は両方の直線の上にある唯一の点なので、両方の方程式を成り立たせるからだ。

数をかけると答えは変わる?

変わらない。0でない数を式全体にかけるかぎり、直線は同じ直線のままだ。

なぜわざわざ式を足すの?

未知数が1つ消えて、未知数1つの簡単な方程式になるからだ。

「0をかける」操作はなぜダメなの?

式が 0 = 0 になり、どの点でも成り立ってしまう。直線が失われて、連立方程式の解が無数になる。

連立方程式とは?

連立方程式とは、同じ未知数をもつ方程式の集まりです。解は、すべての方程式を同時に成り立たせなければなりません。2本の直線なら、解は直線が交わる点です。2本の直線は、1点で交わる(解が1つ)、平行で交わらない(解なし)、同じ直線(解が無数)のどれかになります。

例:x + y = 5 と x − y = 1。(3, 2) を試すと、3 + 2 = 5 と 3 − 2 = 1 で、どちらも成り立ちます。だから (3, 2) が解です。

同値とはどういう意味?

2つの連立方程式の解の集まりがまったく同じとき、それらは同値です。1つ多いことも、1つ足りないこともありません。見た目はまったく違っていてもかまいません。たとえば {x + y = 5, x − y = 1} と {x = 3, y = 2} は、どちらも解が (3, 2) だけなので同値です。

難しい連立方程式を、同値な簡単なものに変えます。そうすれば、見つけた答えは難しい方にもそのまま当てはまります。

安全な操作(同値変形)

安全でない操作:0をかける(式が 0 = 0 になって何も語らなくなる)、式の片側だけを変える。両辺を2乗すると偽の答えが増えることもあるので、最後に必ず確かめます。

加減法で解く

加減法は、安全な操作をつないで未知数を1つ消す方法です。

  1. 連立方程式を書く。例:2x + 3y = 12 と 4x − y = 10。
  2. 2つ目の式を3倍する:12x − 3y = 30。
  3. 1つ目の式に足す:14x = 42、よって x = 3。
  4. x = 3 を 4x − y = 10 に代入する:12 − y = 10、よって y = 2。
  5. もとの2つの式で確かめる。

新しい連立方程式はどれも直前のものと同値です。だから (3, 2) は最初の連立方程式の答えでもあります。

やってみよう

予想してから確かめよう:3Dの自由操作でスライダー k を動かします。動かす前に、交点がどうなるか予想しましょう。次に、青い直線が垂直になる k を探します。最後に「0をかける」ボタンを押して、なぜ安全でない操作なのかを見てみましょう。

重要な公式と用語

例題

1. x + y = 7 と x − y = 1 を解きなさい。

2つの式を足す:2x = 8、よって x = 4。次に y = 7 − 4 = 3。確かめ:4 + 3 = 7、4 − 3 = 1。解は (4, 3)。

2. 3x + y = 10 と x + y = 4 を解きなさい。

1つ目から2つ目を引く:2x = 6、よって x = 3。次に y = 4 − 3 = 1。確かめ:9 + 1 = 10、3 + 1 = 4。解は (3, 1)。

3. {x + y = 5, x − y = 1} が {x = 3, x + y = 5} と同値であることを示しなさい。

もとの2つの式を足すと 2x = 6、よって x = 3。x + y = 5 はそのまま残す。新しい連立方程式は安全な操作で得られ、解は x = 3、y = 2。どちらの連立方程式も解は (3, 2) だけ。

4. 2x + 3y = 12 と 4x − y = 10 を解きなさい。

2つ目の式を3倍する:12x − 3y = 30。1つ目に足す:14x = 42、よって x = 3。次に 4(3) − y = 10 から y = 2。解は (3, 2)。

5. 連立方程式 x + y = 5、x − y = 1 で、式2を(式2)+ 2 ×(式1)に置きかえる。新しい式を書き、もとの解を確かめなさい。

新しい式:(x − y) + 2(x + y) = 1 + 10、よって 3x + y = 11。(3, 2) を確かめる:9 + 2 = 11。成り立つので、解は残っている。

よくある間違い

練習クイズ

1. 2つの連立方程式が同値であるのは、次のどれが同じときですか?
2. 安全でない操作はどれですか?
3. x + y = 5 と x − y = 1 を足すと、どうなりますか?
4. 平行な2本の直線でできた連立方程式の解はどうなりますか?
5. {x + y = 7, x − y = 1} の解はどれですか?

練習:自分で答えてみよう

答えを入力するか選んで、「チェック」を押そう。困ったらヒントを見てね。解答は答えたあとに表示されます。

よくある質問

同値な連立方程式とは、かんたんに言うと何ですか?

もとの連立方程式とまったく同じ答えをもち、書き方だけがやさしくなった新しい連立方程式のことです。

加減法はいつも同値な連立方程式になりますか?

はい。式を入れ替える、0でない数をかける、ある式の何倍かを別の式に足す、の3つだけを使えば同値のままです。

なぜ最後に答えを確かめるのですか?

計算ミスを見つけられます。また、2乗などの危険な操作を使ったときは、増えてしまった偽の答えを取り除けます。

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