Math Battle [ 0253: (xの2次関数)^(xの2次関数)=1 ]

[ 0253: (xの2次関数)^(xの2次関数)=1 ]


[ 星楊令さんの出題 ]

頭の体操です。次の式を満たす x の実数解を全部求めてください。
「^」記号は冪乗をあらわします。

(x^2 - 7*x + 11)^(x^2 - 13*x + 42) = 1


[ 広世正憲君の回答 ]

まず:

 ▪ a(x) = x^2 - 7*x + 11
 ▪ b(x) = x^2 - 13*x + 42

として a(x)^b(x) = 1 が成り立つような場合分けをします。

ケース a(x) b(x) 解く式
1 任意 x^2 - 7*x + 11 = 1
0 以外 0 x^2 - 13*x + 42 = 0
-1 偶数 x^2 - 7*x + 11 = -1

ぐらいでしょうか。それぞれのケースを解いてみます。


ケース ①

x^2 - 7*x + 11 = 1
x^2 - 7*x + 10 = 0
(x - 2)*(x - 5) = 0 ですから:
解は x = 2, x = 5


ケース ②

x^2 - 13*x + 42 = 0
(x - 6)*(x - 7) = 0 ですから:
解は x = 6, x = 7

a(6) = 6^2 - 7*6 + 11 = 5 (0 にならないので OK)
a(7) = 7^2 - 7*7 + 11 = 11 (0 にならないので OK)


ケース ③

x^2 - 7*x + 11 = -1
x^2 - 7*x + 12 = 0
(x - 3)*(x - 4) = 0 ですから:
解は x = 3, x = 4

b(3) = 3^2 - 13*3 + 42 = 12 (偶数なので OK)
b(4) = 4^2 - 13*4 + 42 = 6 (偶数なので OK)


x = 2, 3, 4, 5, 6, 7 が全ての解です。

狼羊さんもそうだとおっしゃっています。


[ 星楊令さんのコメント ]

正憲君、ドンピシャリ正解です。面白い問題でしたね。

GNUPLOT でグラフを描いてみてください。


[ 広世正憲君の質問 ]

x の値を細かく変えながら:

(1) y = (x^2 - 7*x + 11)^(x^2 - 13*x + 42)
(2) y = 1

のグラフを描いてみましたが、黒線の (1) で
x = 2.3900 から x = 4.6100 の範囲の計算値が
「NaN: Not a Number」と表示されます。

とくに異常な値ではないはずですが、なぜなのでしょうか?


[ 湯会老人のコメント ]

正憲君のロジカルな解きかたは間違っていません。
私も Perl プログラムを書き結果を GNUPLOT してみました。

 f1(x) = x^2 - 7*x + 11
 f2(x) = x^2 - 13*x + 42;
 f(x) = f1(x)^f2(x)

です。

 y = f1(x) は赤の点線
 y = f2(x) は青の点線
 y = f(x) は黒の実線

f(x) は x のある範囲 (実は f1(x) <= 0 の範囲) で
NaN (Not a Number) になってしまっています。

一般に a^b の値は a = b = 0 のときに未定義になりますが、
この例では f1(x) = f2(x) = 0 はありえません。

2.3800 0.0000 # black
2.3800 0.0044 # dot1
2.3800 16.7244 # dot2
2.3900 NaN # black
2.3900 -0.0179 # dot1
2.3900 16.6421 # dot2
2.4000 NaN # black
2.4000 -0.0400 # dot1
2.4000 16.5600 # dot2
2.4100 NaN # black
... という具合。


[ 千手春弥さんのコメント ]

湯会老人はちょっと勘違いしておられるようですね。
例をあげましょう。

まず:
(1.3)^(-1.2) = 1/((1.3)^(1.2)) のように
ab において a > 0 であれば
b の正負にかかわらず演算は定義されています。

問題は a < 0 の場合で、このとき b が整数の場合を除いては
結果は複素数になります。

(-1.3)^(1.9) ≈ 1.56566 - 0.508715 i

そういうわけで NaN とせざるを得なかったのでしょう。
f2(x) が整数のときにちゃんとした計算値があるはずですから
探してプロットされたらいかがでしょう?

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