📘 CodingMarble Learn

乗法公式(恒等式)をタイルで見てみよう

恒等式とは、文字にどんな値を入れても成り立つ等式のことです。図で確かめられます。1辺が(a + b)の正方形は、a²、ab、ab、b²の4つに分かれるので、(a + b)² = a² + 2ab + b²。同じように、(a − b)²、a² − b² = (a + b)(a − b)、(x + a)(x + b)、(a + b + c)²、(a + b)³も作れます。公式を逆向きに使えば、因数分解、速い計算、分数式の約分に役立ちます。

🎬 ステップ別ストーリー

  1. 1辺が a + b の大きな正方形を作ります。必要な部品は4つ。a²の正方形が1つ、a×bの細長い長方形が2つ、b²の正方形が1つです。だから (a + b)² = a² + 2ab + b² です。
  2. 次は a² から始めます。a×bの赤い長方形を2つ取り除きます。すみの小さな b² を2回取り除いてしまったので、b² を1つ戻します。残りは (a − b)² = a² − 2ab + b² です。
  3. a² のすみから b² を切り取ります。下の部分をずらして回転させ、右側に置きます。すると (a + b) × (a − b) の長方形になります。
  4. x²の正方形を1枚、xの長方形を5枚、1の小さな正方形を6枚用意します。これらを1つの長方形にはめます。辺は x + 2 と x + 3 です。だから x² + 5x + 6 = (x + 2)(x + 3) です。
  5. 3Dにしてみましょう。1辺が a + b の立方体を開くと、8個のブロックになります。a³が1個、a²bが3個、ab²が3個、b³が1個です。新しい公式 (a + b)³ = a³ + 3a²b + 3ab² + b³ ができました。
  6. 自由に遊ぼう。好きな a と b を選んでみましょう。大きな正方形と4つの部品の面積は、いつも同じになります。

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

なぜ (a + b)² に 2ab があるの?

大きな正方形には a × b の長方形が2つあります。1つは横、もう1つは上にあります。合わせて 2ab になります。

なぜ (a − b)² では b² を戻すの?

2つの a×b の長方形は、すみで重なっています。そのすみの b² を2回取ってしまったので、1回戻します。

a² − b² がどうして長方形になるの?

a² から b² を切り取ると、L字形が残り、2つの部分に分けられます。一方を回転させて横に置くと、(a + b) × (a − b) の長方形にぴったり合います。

因数分解のとき、どの2つの数を使えばいいの?

1のタイルはすみの長方形をうめます。その辺をかけると定数項になり(6 = 2 × 3)、辺に並ぶ長方形の数をたすと真ん中の項になります(2 + 3 = 5)。

3a²b の 3 はどこから来るの?

立方体には a × a × b の板が、3つの向きに1枚ずつ、合わせて3枚あります。だから 3a²b です。3ab² も同じです。

恒等式は、この数のときだけ成り立つの?

いいえ。自由に遊ぶで a と b を変えてみましょう。2つの面積はいつも同じです。これが恒等式という意味です。

恒等式とは何か

2x + 1 = 7 のような方程式は、x = 3 のときだけ成り立ちます。恒等式は、どんな値でも成り立ちます。例:(x + 1)² = x² + 2x + 1。x = 5 を入れてみましょう。36 = 25 + 10 + 1。✓

恒等式かどうか調べるには、両辺に好きな数を入れてみます。証明するには、展開するか、図をかきます。

恒等式を面積で見る

長方形の面積 = たて × よこ。だから、かっこ2つのかけ算は面積として表せます。

公式とタイルを使った因数分解

因数分解とは、式をかけ算の形で書くことです。公式を右から左へ読みます。

代数タイル:x² には大きな正方形、x には長い長方形、1 には小さな正方形を1枚ずつ使います。x² をすみに置き、長方形を2つの辺にそって並べ、すき間を小さな正方形でうめます。きれいな長方形になれば、その辺の長さが因数です。

新しい公式を見つける

公式は、古い公式や図から新しく作れます。

新しい公式は、a = 2、b = 1 のように数を入れて、必ず確かめましょう。

分数式の約分

分数式とは、多項式を多項式で割った形の式で、(x² − 9)/(x + 3) のようなものです。簡単にするには、分子と分母を因数分解して、共通の因数を約分します。

(x² − 9)/(x + 3) = (x + 3)(x − 3)/(x + 3) = x − 3(ただし x ≠ −3)。

注意:約分できるのは因数ごとだけで、項を1つだけ消してはいけません。また、分母が0になる値は使えません。

やってみよう:紙の実験

紙を切ります。1辺7 cmの正方形(a²)を1枚、7 cm × 3 cmの長方形(ab)を2枚、1辺3 cmの正方形(b²)を1枚。つなげて大きな正方形にします。1辺をはかると10 cm。10² = 49 + 42 + 9 = 100 を確かめましょう。次に、1の正方形12枚と長方形を切って、x² + 7x + 12 を自分で因数分解してみましょう。

テストに出るポイント

よく出る問題:公式を使って展開する。99³ や 104 × 96 を直接かけ算せずに計算する。x³ + 27 や 8a³ − 27b³ を因数分解する。a + b + c = 0 を使う。図で恒等式を証明する。分数式を簡単にする。

重要な公式と用語

例題

1. (2x + 3)² を展開しなさい。

(2x)² + 2(2x)(3) + 3² = 4x² + 12x + 9。

2. 98² を筆算を使わずに求めなさい。

(100 − 2)² = 10000 − 400 + 4 = 9604。

3. 104 × 96 を求めなさい。

(100 + 4)(100 − 4) = 100² − 4² = 10000 − 16 = 9984。

4. タイルを使って x² + 5x + 6 を因数分解しなさい。

x² が1枚、長方形が5枚、1が6枚。長方形の辺は x + 2 と x + 3。確かめ:2 + 3 = 5、2 × 3 = 6。だから (x + 2)(x + 3)。

5. (a + 2b − c)² を展開しなさい。

a² + 4b² + c² + 2(a)(2b) + 2(2b)(−c) + 2(−c)(a) = a² + 4b² + c² + 4ab − 4bc − 2ca。

6. 8x³ + 27 を因数分解しなさい。

(2x)³ + 3³ = (2x + 3)(4x² − 6x + 9)。

7. a + b + c = 0 のとき、a = 5、b = −2、c = −3 で a³ + b³ + c³ を求めなさい。

5 − 2 − 3 = 0 なので、a³ + b³ + c³ = 3abc = 3 × 5 × (−2) × (−3) = 90。確かめ:125 − 8 − 27 = 90 ✓。

8. (x² − 4x + 4)/(x² − 4) を簡単にしなさい。

分子 = (x − 2)²。分母 = (x + 2)(x − 2)。(x − 2) を約分して (x − 2)/(x + 2)(ただし x ≠ 2、−2)。

よくある間違い

練習クイズ

1. (x + 4)² =
2. a² − b² は次のどれと等しい?
3. x² + 7x + 10 の因数分解は?
4. (a + b)³ の立方体モデルは何個のブロックでできている?
5. a + b + c = 0 のとき、a³ + b³ + c³ =

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

中学で習う主な乗法公式は何ですか?

(a ± b)²、a² − b²、(x + a)(x + b)、(a + b + c)²、(a ± b)³、a³ ± b³、a³ + b³ + c³ − 3abc などです。

恒等式と方程式のちがいは何ですか?

方程式は、ある値のときだけ成り立ちます。恒等式は、文字がどんな値でも成り立ちます。

因数分解で公式はどう使いますか?

逆向きに読みます。式を公式の右辺に当てはめて、左辺のかけ算の形に書きます。

学ぶ場所

Canada (Ontario)Grade 10Quadratic Relations of the Form y = ax2 + bx + c
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IAlgebraic expressions
RomaniaClasa a VIII-aAlgebraic calculation in ℝ
CBSE (India)Class 9Algebra
England (GCSE, A level)Year 9Algebra
England (GCSE, A level)Year 103.2 Algebra
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 9Expressions and equations (quadratic)
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 10Expressions and equations
Japan中学3年Numbers and expressions
Japan高校1年Numbers and expressions
Japan高校(専門学科)1〜3年Advanced Mathematics I
South Korea중학교 3학년Factorisation and quadratic equations
FranceTroisièmeNumbers and calculations
Russia7 классAlgebraic expressions
Russia7 классAlgebraic expressions
China八年级(初二)Ch.16 Multiplying polynomials
China八年级(初二)Ch.17 Factorisation

先に学ぼう

次に学ぼう

関連する授業

Mathsの授業一覧