問題
複素数を係数とする2次式に対し,次の条件を考える.
(イ) はで割り切れる.
(ロ) の係数の少なくとも一方は虚数である.
この2つの条件(イ),(ロ)を同時に満たす2次式をすべて求めよ.
方針
の根を重複も考えてとする。がで割り切れるためには,各根についてが再びの根であることが必要で,重根の場合も確認する。2個以下の根集合が3乗で閉じる場合を分類する。両方が固定されると根はだけで実係数になり不適。非実係数が出るのは,固定根またはへもう一方の根が写る場合と,2根が3乗で入れ替わる場合である。
解答
の根をとする。条件(イ)より,の根を代入すると でなければならない。したがって,根の集合は3乗をとる操作で閉じている。
まず重根の場合を確認する。なら,条件(イ)からが必要である。よって であり,このとき係数は実数になるので条件(ロ)に反する。したがって,条件を満たすものは異なる2根をもつ場合に限られる。
異なる2根の集合をとする。各根を3乗してもに残る。根が3乗で自分自身に戻る固定点なら, よりである。2根がともに固定点なら係数は実数となり,不適である。
次に,一方の根が固定点で,もう一方の根がその固定点へ移る場合を考える。固定点が0なら,よりとなって2根が異なることに反する。固定点が1なら,もう一方の根は1以外の3乗根であり, である。したがって を得る。固定点がなら,もう一方の根は以外のの3乗根であり, である。したがって を得る。
最後に,2根が3乗で入れ替わる場合を考える。,とすると, である。ならとなり異なる2根ではないので,である。よって である。8乗根のうち,3乗で入れ替わる組は
である。このうちからはができ,係数が実数なので条件(ロ)に反する。残りの2組から を得る。
以上の候補はいずれも,根を3乗すると同じ2根の集合に入るため条件(イ)を満たし,かつ係数の少なくとも一方が虚数である。したがって求める2次式は
である。