数学基礎

平方完成のやり方をわかりやすく解説!
公式・例題・分数の場合まで

二次関数の問題を解いていると、「平方完成」という計算方法が登場することがあります。

平方完成とは、二次式を

\[ a(x-p)^2+q \]

という形に変形することです。

例えば、

\[ x^2+6x+5 \]

という式は、平方完成によって

\[ (x+3)^2-4 \]

と変形できます。

平方完成を使うと、二次関数の頂点の座標や、最大値・最小値を簡単に求められるようになります。

しかし、初めて平方完成を学ぶと、

「どのような手順で計算すればよいのか?」

「\(x^2\) の係数が1でない場合はどうすればよいのか?」

「分数が含まれる場合はどう計算するのか?」

と疑問に思う方もいるのではないでしょうか。

この記事では、平方完成の基本的なやり方から、係数が1でない場合や分数を含む場合まで、具体例を使ってわかりやすく解説します。

さらに、平方完成を利用して二次関数の頂点を求める方法も紹介します。

1. 平方完成とは?

平方完成とは、二次式を「一次式の2乗+定数」という形に変形することです。

一般的な二次式

\[ ax^2+bx+c \quad (a\neq0) \]

は、平方完成によって

\[ \boxed{a(x-p)^2+q} \]

という形に変形できます。

ここで、\(a,p,q\) は定数です。

例えば、

\[ x^2+4x+7 \]

という式を平方完成すると、

\[ (x+2)^2+3 \]

となります。

実際に平方完成した式を展開すると、

\[ \begin{aligned} (x+2)^2+3 &=x^2+4x+4+3\\ &=x^2+4x+7 \end{aligned} \]

となるので、元の式と等しいことが確認できます。

このように、式の値を変えずに、2乗の形が現れるように変形することが平方完成です。

平方完成は、特に二次関数のグラフの頂点や最大値・最小値を求める際に利用します。


2. 平方完成の基本的なやり方

まずは、\(x^2\) の係数が \(1\) の場合を考えましょう。

例として、次の式を平方完成します。

\[ x^2+6x+5 \]

2.1 \(x\) の係数を半分にする

最初に、\(x\) の係数である \(6\) を半分にします。

\[ 6\div2=3 \]

この \(3\) を使って、\((x+3)^2\) という形を作ります。

なぜ係数を半分にするのかというと、展開公式

\[ (x+a)^2=x^2+2ax+a^2 \]

を利用するためです。

\((x+a)^2\) を展開すると、\(x\) の係数は \(2a\) になります。

そのため、元の式の \(x\) の係数を半分にすれば、括弧の中に入る数が求められます。


2.2 2乗の形を作る

先ほど求めた \(3\) を使って、

\[ (x+3)^2 \]

を作ります。

ただし、

\[ (x+3)^2=x^2+6x+9 \]

なので、元の式の \(x^2+6x\) よりも \(9\) だけ大きくなっています。

そこで、\(9\) を引いて調整します。

\[ x^2+6x=(x+3)^2-9 \]


2.3 残りの定数を整理する

元の式には \(+5\) があるので、

\[ \begin{aligned} x^2+6x+5 &=(x+3)^2-9+5\\ &=(x+3)^2-4 \end{aligned} \]

となります。

したがって、

\[ \boxed{x^2+6x+5=(x+3)^2-4} \]

これで平方完成ができました。

平方完成の基本手順

  1. \(x\) の係数を半分にする
  2. 半分にした数を使って2乗の形を作る
  3. 増えた分を引いて、定数を整理する


3. \(x^2\) の係数が1でない場合の平方完成

次に、\(x^2\) の係数が \(1\) でない場合を考えます。

例えば、

\[ 2x^2+8x+3 \]

という式です。

この場合は、最初に \(x^2\) の係数でくくることがポイントです。

3.1 \(x^2\) の係数でくくる

まず、\(x^2\) と \(x\) を含む項を2でくくります。

\[ 2x^2+8x+3=2(x^2+4x)+3 \]

このとき、定数項の \(+3\) は括弧の外に残しておきます。


3.2 括弧の中を平方完成する

括弧の中の

\[ x^2+4x \]

を平方完成します。

\(x\) の係数 \(4\) を半分にすると \(2\) なので、

\[ \begin{aligned} x^2+4x &=(x+2)^2-4 \end{aligned} \]

となります。


3.3 外側の係数を掛けて整理する

これを元の式に代入すると、

\[ \begin{aligned} 2x^2+8x+3 &=2(x^2+4x)+3\\ &=2\{(x+2)^2-4\}+3\\ &=2(x+2)^2-8+3\\ &=2(x+2)^2-5 \end{aligned} \]

したがって、

\[ \boxed{2x^2+8x+3=2(x+2)^2-5} \]

となります。

なお、\(x^2\) の係数が負の場合も同様です。

例えば、

\[ \begin{aligned} -x^2+6x+2 &=-(x^2-6x)+2\\ &=-\{(x-3)^2-9\}+2\\ &=-(x-3)^2+11 \end{aligned} \]

となります。

マイナスでくくった場合は、括弧を外すときの符号に注意しましょう。


4. 分数を含む場合の平方完成

分数を含む場合も、基本的な考え方は同じです。

例えば、

\[ x^2+3x+2 \]

を平方完成してみましょう。

\(x\) の係数 \(3\) を半分にすると、

\[ \frac32 \]

となります。

したがって、

\[ \begin{aligned} x^2+3x+2 &=\left(x+\frac32\right)^2-\left(\frac32\right)^2+2\\ &=\left(x+\frac32\right)^2-\frac94+\frac84\\ &=\left(x+\frac32\right)^2-\frac14 \end{aligned} \]

よって、

\[ \boxed{x^2+3x+2=\left(x+\frac32\right)^2-\frac14} \]

となります。

このように、\(x\) の係数を半分にした結果が分数になっても、そのまま計算すれば問題ありません。

4.1 \(x^2\) の係数が分数の場合

次の式を考えます。

\[ \frac12x^2+3x+1 \]

まず、\(x^2\) と \(x\) を含む項を \(\frac12\) でくくります。

\[ \frac12x^2+3x+1=\frac12(x^2+6x)+1 \]

括弧の中を平方完成すると、

\[ \begin{aligned} \frac12x^2+3x+1 &=\frac12\{(x+3)^2-9\}+1\\ &=\frac12(x+3)^2-\frac92+1\\ &=\frac12(x+3)^2-\frac72 \end{aligned} \]

したがって、

\[ \boxed{\frac12x^2+3x+1=\frac12(x+3)^2-\frac72} \]

となります。

分数が含まれていても、計算手順自体は変わりません。


5. 平方完成を使った二次関数の頂点の求め方

平方完成は、二次関数の頂点を求める際に特に役立ちます。

二次関数

\[ y=a(x-p)^2+q \]

のグラフは、頂点が

\[ \boxed{(p,q)} \]

となる放物線です。

例えば、

\[ y=x^2+6x+5 \]

を考えましょう。

平方完成すると、

\[ y=(x+3)^2-4 \]

となります。

これは、

\[ y=(x-(-3))^2-4 \]

と表せるので、頂点の座標は

\[ \boxed{(-3,-4)} \]

です。

また、平方完成によって最大値・最小値も求められます。

例えば、

\[ y=(x+3)^2-4 \]

では、

\[ (x+3)^2\geq0 \]

なので、

\[ y\geq-4 \]

となります。

等号が成立するのは \(x=-3\) のときです。

したがって、最小値は

\[ \boxed{-4} \]

となります。

このように、平方完成によって二次関数の性質を簡単に調べられます。


6. 平方完成の練習問題

最後に、ここまで学んだ内容を練習問題で確認しましょう。

次の二次式を平方完成してください。

【問題1】\(x^2+8x+10\)

【問題2】\(x^2-4x+7\)

【問題3】\(3x^2+12x+5\)

【問題4】\(x^2+5x+1\)

【問題5】\(-2x^2+8x-1\)


まとめ

この記事では、平方完成の基本的なやり方から、係数が \(1\) でない場合や分数を含む場合、二次関数への応用まで解説しました。

平方完成のポイントは、次の3つです。

  1. \(x^2\) の係数が1でない場合は、\(x^2\) と \(x\) の項をその係数でくくる。
  2. 括弧の中の \(x\) の係数を半分にして、2乗の形を作る。
  3. 2乗の形を作ったことで増えた定数を引き、式全体の値が変わらないようにする。

これらの手順を理解すれば、さまざまな二次式を平方完成できるようになります。

また、平方完成は二次関数の頂点や最大値・最小値を求める際にも役立ちます。

基本的な計算に慣れたら、練習問題を繰り返し解いて理解を深めましょう。

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