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▷必要条件の見分け方
▷方程式の全ての解の導出公式
▷存在記号∃の意味
▷存在条件の代入原理
このページは、
「同値変形の考え方」のページの要約です。
【同値変形とは何か】
同値変形とは、命題Aの全ての情報を過不足なく保持させて命題Bに変換する処理です。
つまり、同値変形とは、命題Aのあらわす情報を保持したまま、表現を書き換えて命題Bにする処理です。
命題Aがあらわす情報は、方程式の集合である場合や、または、(X,Y)座標であらわされる点の集合である場合や、その他、数の集合だったりします。
命題Aがあらわす情報を限定する情報限定条件を命題Aに加えて命題A’を作ると、情報限定条件を加える前は同値ではなかった命題同士も、情報限定条件によって限定された情報同士が同じならば同値な命題になります。
【方程式の集合の同値変形】
《同値変形の例1》
以下の連立方程式は等価であり、左の式の群から右の式の群が導き出せる。
左から右まで、等価な式の群が、同値変形で、導き出される。

《必要条件の見分け方》
命題Bが命題Aの必要条件になるか否かは、以下のように考えて判定できる。
命題Bが命題Aの必要条件になるということは、以下の命題が成り立つことである。
命題Aならば命題Bである。
この命題は、以下の命題に置き換えることができる。
(命題A)で無いか、又は、(命題B)である。
例えば、以下の命題(第1の命題)が成り立つかどうかは、以下のようにして判定できる。
X=1, → X=10ー9,
この第1の命題の左側の条件から、必ず右側の条件が "発想" できるか、必然的に右側の条件が導き出せるか、と問うと、必ずしもそうとは言えない。
この命題は、以下の命題に置き換えることができる。
X≠1 であるか、又は、X=10-9である。
X=10-9の式を変形すると、
X=1になる。
そのため、先の命題は、以下の命題に書き換えられる。
X≠1であるか、又は、X=1である。
これならば、この命題が成り立っていることがわかる。これにより、第1の命題の右側の条件が左側の条件の必要条件であった(第1の命題が成り立つ)ことが判定できた。
《同値変形の例2》
以下の式の群も、左側の式の群から右側の式の群に同値変形されます。

|x|≧2が成り立つことが、xの値からtの値を導き出すことができる(tの解が存在する)存在条件である。
この連立方程式には、tの存在条件を与える式が加わっているので、「方程式の全ての解の導出公式」にしたがって、以下の式を満足する全ての点(x,y) に対して、方程式の解(x,y,t) が存在する。

《同値変形の例3》 軌跡(2)から:
以下の式の群も、左側の式の群から右側の式の群に同値変形されます。

最初の連立方程式は、以下のようにも同値変形できる。

式がこの形に同値変形できたので、元の方程式の解は、「方程式の全ての解の導出公式」にしたがって、式(3) と、Y≠0における式(4) と、を満足する全ての点(X,Y) に対して、方程式の解(X,Y,m) が存在する。
【点の集合(X,Y) をあらわす表現の同値変形】
《同値変形の例4》
例3の連立方程式において、以下の図の命題Bのように、命題のあらわす情報(条件B)を、パラメータmを利用してあらわした点(X,Y)の集合のみをあらわすように限定する。そうした場合は、点(X,Y)の集合の情報あらわすために使ったパラメータmは、点(X,Y)の情報には含まれない。それゆえ、点(X,Y)の集合のみをあらわす命題B(条件B)の表現を同値変形で言い換える際には、そのパラメータmは残す必要がない。そのため、以下の図のように、その命題Bがあらわす点(X,Y)の集合の情報は、下図の右側の命題Aがあらわす点(X,Y)の集合の情報と同じである。

なお、命題Bが表す点の集合(X,Y) の情報は、以下の命題Cや命題Dとして表現することもできる。

《存在記号∃の意味》
上記の必要十分条件の連鎖の最後に示した命題Dの以下の表現の意味を説明する。

存在記号∃を使ってあらわしたこの命題Dが先の命題Cと必要十分な関係にある。以下で、なぜそうだと言えるのかを説明する。
命題Dにおいて、存在記号∃を付けたパラメータmを存在記号∃が束縛すると言う。パラメータmは存在記号∃に束縛されている。mのことを束縛変数(ダミー変数)と呼ぶ。命題Dがあらわす情報は、命題Dを「真」にする、(ダミー変数m以外の)数XとY(自由変数と呼ぶ)の組の集合(点(X,Y) の集合)である。
束縛変数mには、命題Dにあらわれている点(X,Y) を制約する役割がある。命題Dが、パラメータmが存在しなければならないという指令によって制約されることで、点(X,Y) が所定の範囲内に制限され、その結果、命題Dが、そのように制限された点(X,Y) の集合をあらわす。点(X,Y) の情報をあらわすためにパラメータmが利用されている。
すなわち、命題Dは、パラメータmの具体的値m1で命題Dが成り立つ場合の点(X,Y) の集合の情報(のみ)をあらわす。つまり、存在記号∃が付けられたパラメータmは、命題があらわそうとする数の集合からは除外される。そのため、命題Dは、「確かに在るパラメータmを使ってあらわされた点(X,Y) の集合をあらわす。それゆえ、命題Dは命題Cと同じ(必要十分な関係にある)である。
【点(X,Y) の集合をあらわす命題だと認識すべし】
《存在条件の代入原理》
上記の式において、最初の、存在記号を付けたパラメータmを使って表した命題Aは、パラメータmを利用して点(X,Y) の集合の情報をあらわした命題である。
命題Aは、「以下の式を満足する点(X,Y) の集合」と明示した命題にすべきである。
点(X,Y) の集合の情報をあらわすために使ったパラメータmは、点(X,Y) の集合の情報には含まれない。点(X,Y) の集合の情報をあらわす命題A(条件A)の中の、パラメータmをXとYであらわす式は、点(X,Y) の集合を制限する影響がない。なお、パラメータmの値が存在すべき存在条件は、そのmの式を導出する過程で、命題の中に組み込まれている。そのため、パラメータmは、点(X,Y) の集合をあらわすためには、もはや残す必要がない式である。それゆえmの式を削除する同値変形をして最後の命題に変形する。
その最後の命題は、方程式(a4)を満足する点(X,Y) の集合の情報を表す命題である。その命題には、存在記号∃を消す際に、先ずは、「以下の式を満足する点(X,Y) の集合」という言葉が補われて命題の意味が明確にされる。
その、「以下の式を満足する点(X,Y) の集合」と言う言葉は大切な情報なので、たとえ冗長であっても、なるべく、消さずに残しておくことが望ましい。
「冗長」だと言った意味は、
以上の同値変形に対して、
(先生A曰く)「そもそも方程式は点の集合をあらわすものなので、点(X,Y) の集合という言葉を使ってあらわされていた(パラメータmがある)当初の命題から余分なパラメータmを使った文が消えた最後の命題では、わざわざ『以下の式を満足する点(X,Y) の集合』という言葉を残す必要もない。」
という先生もいるからです。
高校生が先生から、「そもそも方程式は点の集合をあらわすものである。更には~」と言われても、方程式の深い意味や、更には~、という知識を教わっていないので、わけが分からない。高校生にとって、「以下の式を満足する点(X,Y) の集合」という言葉が命題の意味を理解する助けになるので、「以下の式を満足する点(X,Y) の集合」と言う言葉は、たとえ冗長(人によっては当たり前)であっても、消さずに残しておくことが望ましい。
〘重要〙ここをクリックした先のyoutubeで、存在記号∃の意味を詳しく説明して、「以下の式を満足する点(X,Y) の集合」という言葉が冗長だと分かるレベルまでの知識を与えた上で、存在条件の代入原理が当たり前だと分かる知識を与え、存在条件の代入原理の応用の練習もさせ、更には、存在条件の代入原理を使って解く大学入試問題の2問を解いている。
とても参考になるので、是非視聴して、「以下の式を満足する点(X,Y) の集合」と言う言葉が冗長だというのが当たり前と分かるレベルまで成長することが望ましい。
【数の集合をあらわす表現の同値変形】
《同値変形の例5》
同値変形する情報が、数αをあらわす情報の場合、その数αの情報を説明するために付随するパラメータ(あるいは、関係ないパラメータ)は、数αの情報の同値変形において残す必要はない。以下の図の、数αをあらわす表現の同値変形の関係が成り立つ。これは、数αをあらわす表現を言い換える同値変形をしているのである。


数αをあらわす表現の同値変形を、以下の図のように少し変えてあらわす。数αをあらわす表現においては、αに関係ない数xの事項は、数αには関係ないので無くても情報が変わらない。

ただし、数αに関係ない事項であっても、命題(条件)を偽にしてしまうという、命題(条件)に甚大な被害を与えるような事項(それは命題(条件)があらわす情報を変える重大事項である)は、命題(条件)から除去できない。
【2つのパラメータであらわす点(X,Y) の集合】
《同値変形の例6》
点(X,Y) をパラメータsとtであらわす以下の連立方程式(1) と(2) が以下のように同値変形できる。
【解1】

最初の連立方程式の式(1) と(2) は、点(X,Y) を、2つのパラメータsとtであらわす式である。2つのパラメータを使ってあらわされた点(X,Y) の集合は面になる。その連立方程式を、上記の同値変形によって、パラメータsとtを点(X,Y) の座標によって表す式(6) から(9) を得た。パラメータsとtの実数の解が存在するためには、点(X,Y) が式(3) の条件を満足しなければならない。
(解1おわり)
この解き方を見ると、この問題の同値変形の特徴は、式(6)から(9) で与えるパラメータsとtの値が存在する条件を式(3) で与えたこと。そのように式(6)から(9) を導出する過程で式(3) が必要になったことこそがこの問題を解く本質である。その過程で式(3) というパラメータsとtの存在条件を見出すことこそが、「存在条件の導入」だと言える。
なお、上記の連立方程式の同値変形の結果は、実数のパラメータsとtを使った連立方程式で点(X,Y) の集合をあらわす表現が、方程式(3) を使った点(X,Y) の集合をあらわす表現に同値変形できることをあらわしている。

すなわち、先の、同値変形した方程式の群は、「以下の式を満足する点(X,Y) の集合」という、情報の限定条件を付けると、式(6) ~(8) が、パラメータsとtが求められるというだけの情報であり、点(X,Y) を制限するわけでもない情報なので、表すべき限定された情報ではないので削除される。
なお、式(3) は、実数のパラメータsとtの解が存在し得る条件であるが、それがそのまま、点(X,Y) の集合があらわす面の領域の範囲をあらわしている。
なお、元の式のパラメータsとtに存在記号∃を付けてあらわした以下の式は、パラメータsとtを、あらわすべき情報から除外するという意味の式になる。そのため、その式は、「以下の式を満足する点(X,Y) の集合」という、情報の限定条件を付けた式と同じ情報をあらわす式(等価な式)になる。

【解2】
先に得た、XとYの関係を表す方程式(3) を求める解き方は、以下のように、sとtを順次に減らしていく解き方で以下の式(7) として求めることで解いても良い。



(解2おわり)
【2つのパラメータxとyであらわす数hの集合】
《同値変形の例7》
「円と放物線の交点の問題」を同値変形で解く。



ここまでの解き方を見ると、この問題の同値変形の特徴は、式(5) で与えるパラメータyの値が存在する条件を式(6) で与えたこと。式(7) で与えるパラメータxの値が存在する条件を式(12) で与えたこと。そのように式(6) と式(12) を導出する過程こそが問題を解く本質である。
そうして出来上がった上記の連立方程式から式(5) と式(7) を、数hを表す命題には不要な式だとして命題から削除することは、もはや、問題を解く本質ではない。単なる形式的な処理に過ぎず、式(5) と式(7) を命題から削除しても嬉しくはない。それよりは、むしろ(方程式の全ての解の導出公式に従って)残しておいた方が良いと思う。
リンク:
無理方程式を解くときに注意すること3つ
二重根号の外し方の4つの方法
高校数学の目次
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【同値変形とは何か】
同値変形とは、命題Aの全ての情報を過不足なく保持させて命題Bに変換する処理です。
つまり、同値変形とは、命題Aのあらわす情報を保持したまま、表現を書き換えて命題Bにする処理です。
命題Aがあらわす情報は、方程式の集合である場合や、または、(X,Y)座標であらわされる点の集合である場合や、その他、数の集合だったりします。
命題Aがあらわす情報を限定する情報限定条件を命題Aに加えて命題A’を作ると、情報限定条件を加える前は同値ではなかった命題同士も、情報限定条件によって限定された情報同士が同じならば同値な命題になります。
【方程式の集合の同値変形】
《同値変形の例1》
以下の連立方程式は等価であり、左の式の群から右の式の群が導き出せる。
左から右まで、等価な式の群が、同値変形で、導き出される。
《必要条件の見分け方》
命題Bが命題Aの必要条件になるか否かは、以下のように考えて判定できる。
命題Bが命題Aの必要条件になるということは、以下の命題が成り立つことである。
命題Aならば命題Bである。
この命題は、以下の命題に置き換えることができる。
(命題A)で無いか、又は、(命題B)である。
例えば、以下の命題(第1の命題)が成り立つかどうかは、以下のようにして判定できる。
X=1, → X=10ー9,
この第1の命題の左側の条件から、必ず右側の条件が "発想" できるか、必然的に右側の条件が導き出せるか、と問うと、必ずしもそうとは言えない。
この命題は、以下の命題に置き換えることができる。
X≠1 であるか、又は、X=10-9である。
X=10-9の式を変形すると、
X=1になる。
そのため、先の命題は、以下の命題に書き換えられる。
X≠1であるか、又は、X=1である。
これならば、この命題が成り立っていることがわかる。これにより、第1の命題の右側の条件が左側の条件の必要条件であった(第1の命題が成り立つ)ことが判定できた。
《同値変形の例2》
以下の式の群も、左側の式の群から右側の式の群に同値変形されます。

|x|≧2が成り立つことが、xの値からtの値を導き出すことができる(tの解が存在する)存在条件である。
この連立方程式には、tの存在条件を与える式が加わっているので、「方程式の全ての解の導出公式」にしたがって、以下の式を満足する全ての点(x,y) に対して、方程式の解(x,y,t) が存在する。

《同値変形の例3》 軌跡(2)から:
以下の式の群も、左側の式の群から右側の式の群に同値変形されます。

最初の連立方程式は、以下のようにも同値変形できる。

式がこの形に同値変形できたので、元の方程式の解は、「方程式の全ての解の導出公式」にしたがって、式(3) と、Y≠0における式(4) と、を満足する全ての点(X,Y) に対して、方程式の解(X,Y,m) が存在する。
【点の集合(X,Y) をあらわす表現の同値変形】
《同値変形の例4》
例3の連立方程式において、以下の図の命題Bのように、命題のあらわす情報(条件B)を、パラメータmを利用してあらわした点(X,Y)の集合のみをあらわすように限定する。そうした場合は、点(X,Y)の集合の情報あらわすために使ったパラメータmは、点(X,Y)の情報には含まれない。それゆえ、点(X,Y)の集合のみをあらわす命題B(条件B)の表現を同値変形で言い換える際には、そのパラメータmは残す必要がない。そのため、以下の図のように、その命題Bがあらわす点(X,Y)の集合の情報は、下図の右側の命題Aがあらわす点(X,Y)の集合の情報と同じである。

なお、命題Bが表す点の集合(X,Y) の情報は、以下の命題Cや命題Dとして表現することもできる。

《存在記号∃の意味》
上記の必要十分条件の連鎖の最後に示した命題Dの以下の表現の意味を説明する。

存在記号∃を使ってあらわしたこの命題Dが先の命題Cと必要十分な関係にある。以下で、なぜそうだと言えるのかを説明する。
命題Dにおいて、存在記号∃を付けたパラメータmを存在記号∃が束縛すると言う。パラメータmは存在記号∃に束縛されている。mのことを束縛変数(ダミー変数)と呼ぶ。命題Dがあらわす情報は、命題Dを「真」にする、(ダミー変数m以外の)数XとY(自由変数と呼ぶ)の組の集合(点(X,Y) の集合)である。
束縛変数mには、命題Dにあらわれている点(X,Y) を制約する役割がある。命題Dが、パラメータmが存在しなければならないという指令によって制約されることで、点(X,Y) が所定の範囲内に制限され、その結果、命題Dが、そのように制限された点(X,Y) の集合をあらわす。点(X,Y) の情報をあらわすためにパラメータmが利用されている。
すなわち、命題Dは、パラメータmの具体的値m1で命題Dが成り立つ場合の点(X,Y) の集合の情報(のみ)をあらわす。つまり、存在記号∃が付けられたパラメータmは、命題があらわそうとする数の集合からは除外される。そのため、命題Dは、「確かに在るパラメータmを使ってあらわされた点(X,Y) の集合をあらわす。それゆえ、命題Dは命題Cと同じ(必要十分な関係にある)である。
【点(X,Y) の集合をあらわす命題だと認識すべし】
《存在条件の代入原理》
上記の式において、最初の、存在記号を付けたパラメータmを使って表した命題Aは、パラメータmを利用して点(X,Y) の集合の情報をあらわした命題である。
命題Aは、「以下の式を満足する点(X,Y) の集合」と明示した命題にすべきである。
点(X,Y) の集合の情報をあらわすために使ったパラメータmは、点(X,Y) の集合の情報には含まれない。点(X,Y) の集合の情報をあらわす命題A(条件A)の中の、パラメータmをXとYであらわす式は、点(X,Y) の集合を制限する影響がない。なお、パラメータmの値が存在すべき存在条件は、そのmの式を導出する過程で、命題の中に組み込まれている。そのため、パラメータmは、点(X,Y) の集合をあらわすためには、もはや残す必要がない式である。それゆえmの式を削除する同値変形をして最後の命題に変形する。
その最後の命題は、方程式(a4)を満足する点(X,Y) の集合の情報を表す命題である。その命題には、存在記号∃を消す際に、先ずは、「以下の式を満足する点(X,Y) の集合」という言葉が補われて命題の意味が明確にされる。
その、「以下の式を満足する点(X,Y) の集合」と言う言葉は大切な情報なので、たとえ冗長であっても、なるべく、消さずに残しておくことが望ましい。
「冗長」だと言った意味は、
以上の同値変形に対して、
(先生A曰く)「そもそも方程式は点の集合をあらわすものなので、点(X,Y) の集合という言葉を使ってあらわされていた(パラメータmがある)当初の命題から余分なパラメータmを使った文が消えた最後の命題では、わざわざ『以下の式を満足する点(X,Y) の集合』という言葉を残す必要もない。」
という先生もいるからです。
高校生が先生から、「そもそも方程式は点の集合をあらわすものである。更には~」と言われても、方程式の深い意味や、更には~、という知識を教わっていないので、わけが分からない。高校生にとって、「以下の式を満足する点(X,Y) の集合」という言葉が命題の意味を理解する助けになるので、「以下の式を満足する点(X,Y) の集合」と言う言葉は、たとえ冗長(人によっては当たり前)であっても、消さずに残しておくことが望ましい。
〘重要〙ここをクリックした先のyoutubeで、存在記号∃の意味を詳しく説明して、「以下の式を満足する点(X,Y) の集合」という言葉が冗長だと分かるレベルまでの知識を与えた上で、存在条件の代入原理が当たり前だと分かる知識を与え、存在条件の代入原理の応用の練習もさせ、更には、存在条件の代入原理を使って解く大学入試問題の2問を解いている。
とても参考になるので、是非視聴して、「以下の式を満足する点(X,Y) の集合」と言う言葉が冗長だというのが当たり前と分かるレベルまで成長することが望ましい。
【数の集合をあらわす表現の同値変形】
《同値変形の例5》
同値変形する情報が、数αをあらわす情報の場合、その数αの情報を説明するために付随するパラメータ(あるいは、関係ないパラメータ)は、数αの情報の同値変形において残す必要はない。以下の図の、数αをあらわす表現の同値変形の関係が成り立つ。これは、数αをあらわす表現を言い換える同値変形をしているのである。


数αをあらわす表現の同値変形を、以下の図のように少し変えてあらわす。数αをあらわす表現においては、αに関係ない数xの事項は、数αには関係ないので無くても情報が変わらない。

ただし、数αに関係ない事項であっても、命題(条件)を偽にしてしまうという、命題(条件)に甚大な被害を与えるような事項(それは命題(条件)があらわす情報を変える重大事項である)は、命題(条件)から除去できない。
【2つのパラメータであらわす点(X,Y) の集合】
《同値変形の例6》
点(X,Y) をパラメータsとtであらわす以下の連立方程式(1) と(2) が以下のように同値変形できる。
【解1】

最初の連立方程式の式(1) と(2) は、点(X,Y) を、2つのパラメータsとtであらわす式である。2つのパラメータを使ってあらわされた点(X,Y) の集合は面になる。その連立方程式を、上記の同値変形によって、パラメータsとtを点(X,Y) の座標によって表す式(6) から(9) を得た。パラメータsとtの実数の解が存在するためには、点(X,Y) が式(3) の条件を満足しなければならない。
(解1おわり)
この解き方を見ると、この問題の同値変形の特徴は、式(6)から(9) で与えるパラメータsとtの値が存在する条件を式(3) で与えたこと。そのように式(6)から(9) を導出する過程で式(3) が必要になったことこそがこの問題を解く本質である。その過程で式(3) というパラメータsとtの存在条件を見出すことこそが、「存在条件の導入」だと言える。
なお、上記の連立方程式の同値変形の結果は、実数のパラメータsとtを使った連立方程式で点(X,Y) の集合をあらわす表現が、方程式(3) を使った点(X,Y) の集合をあらわす表現に同値変形できることをあらわしている。

すなわち、先の、同値変形した方程式の群は、「以下の式を満足する点(X,Y) の集合」という、情報の限定条件を付けると、式(6) ~(8) が、パラメータsとtが求められるというだけの情報であり、点(X,Y) を制限するわけでもない情報なので、表すべき限定された情報ではないので削除される。
なお、式(3) は、実数のパラメータsとtの解が存在し得る条件であるが、それがそのまま、点(X,Y) の集合があらわす面の領域の範囲をあらわしている。
なお、元の式のパラメータsとtに存在記号∃を付けてあらわした以下の式は、パラメータsとtを、あらわすべき情報から除外するという意味の式になる。そのため、その式は、「以下の式を満足する点(X,Y) の集合」という、情報の限定条件を付けた式と同じ情報をあらわす式(等価な式)になる。

【解2】
先に得た、XとYの関係を表す方程式(3) を求める解き方は、以下のように、sとtを順次に減らしていく解き方で以下の式(7) として求めることで解いても良い。



(解2おわり)
【2つのパラメータxとyであらわす数hの集合】
《同値変形の例7》
「円と放物線の交点の問題」を同値変形で解く。



ここまでの解き方を見ると、この問題の同値変形の特徴は、式(5) で与えるパラメータyの値が存在する条件を式(6) で与えたこと。式(7) で与えるパラメータxの値が存在する条件を式(12) で与えたこと。そのように式(6) と式(12) を導出する過程こそが問題を解く本質である。
そうして出来上がった上記の連立方程式から式(5) と式(7) を、数hを表す命題には不要な式だとして命題から削除することは、もはや、問題を解く本質ではない。単なる形式的な処理に過ぎず、式(5) と式(7) を命題から削除しても嬉しくはない。それよりは、むしろ(方程式の全ての解の導出公式に従って)残しておいた方が良いと思う。
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