【数学Ⅱ】1-1: 3次式の展開・因数分解公式をマスター!符号ミスを防ぐ型の覚え方

数学Ⅱ

高校数学Ⅱの「式と証明」で最初に学習するのが3次式の展開と因数分解です。数学Ⅰで扱った2次式に比べて公式の項数が増え、プラスとマイナスの符号でミスをしやすくなります。

この記事では、3次式の公式をスムーズに使いこなし、確実に計算力をつけるためのポイントを解説します!

1. 3次式の展開公式

まずは展開(カッコを外す計算)の基本公式4つです。

$$\begin{aligned} 1. & \quad (a+b)^3 = a^3 + 3a^2b + 3ab^2 + b^3 \\ 2. & \quad (a-b)^3 = a^3 – 3a^2b + 3ab^2 – b^3 \\ 3. & \quad (a+b)(a^2 – ab + b^2) = a^3 + b^3 \\ 4. & \quad (a-b)(a^2 + ab + b^2) = a^3 – b^3 \end{aligned}$$

符号の覚え方のコツ
  • $(a-b)^3$ の場合: 符号が「$+ , – , + , -$」と交互に現れます。$b$ の次数に着目すると、$b$ の奇数乗($b^1, b^3$)の項にマイナスがつきます。
  • $(a+b)(a^2 – ab + b^2) = a^3 + b^3$ の場合: 最初のカッコ $(a+b)$ の符号と、右辺の $a^3+b^3$ の符号が一致します。真ん中の項 $-ab$ のみ逆の符号になります。

2. 実践問題(展開)

問題

次の式を展開せよ。

(1) $(2x – 3)^3$

(2) $(x + 2y)(x^2 – 2xy + 4y^2)$

【解答例】

(1) 公式 $(a-b)^3 = a^3 – 3a^2b + 3ab^2 – b^3$ において、$a = 2x, b = 3$ と置きます。

$$\begin{aligned} (2x – 3)^3 &= (2x)^3 – 3 \cdot (2x)^2 \cdot 3 + 3 \cdot (2x) \cdot 3^2 – 3^3 \\ &= 8x^3 – 36x^2 + 54x – 27 \end{aligned}$$

(2) 公式 $(a+b)(a^2 – ab + b^2) = a^3 + b^3$ において、$a = x, b = 2y$ と置きます。

$$\begin{aligned} (x + 2y)(x^2 – 2xy + 4y^2) &= x^3 + (2y)^3 \\ &= x^3 + 8y^3 \end{aligned}$$

3. 3次式の因数分解公式

因数分解は、展開公式の左右を入れ替えたものです。

$$\begin{aligned} 1. & \quad a^3 + b^3 = (a+b)(a^2 – ab + b^2) \\ 2. & \quad a^3 – b^3 = (a-b)(a^2 + ab + b^2) \end{aligned}$$

数値が「立方程(~の3乗)」になっているかどうかに注目しましょう。

よく出る3乗の数
  • $8 = 2^3$
  • $27 = 3^3$
  • $64 = 4^3$
  • $125 = 5^3$

4. 実践問題(因数分解)

問題

次の式を因数分解せよ。

(1) $x^3 – 27$

(2) $64a^3 + 125b^3$

【解答例】

(1) $27 = 3^3$ であるから、$a^3 – b^3 = (a-b)(a^2 + ab + b^2)$ を適用します。

$$x^3 – 27 = x^3 – 3^3 = (x – 3)(x^2 + 3x + 9)$$

(2) $64a^3 = (4a)^3, 125b^3 = (5b)^3$ であるから、

$$\begin{aligned} 64a^3 + 125b^3 &= (4a)^3 + (5b)^3 \\ &= (4a + 5b)\left((4a)^2 – (4a)(5b) + (5b)^2\right) \\ &= (4a + 5b)(16a^2 – 20ab + 25b^2) \end{aligned}$$

5. まとめ

3次式の計算は「型のあてはめ」がすべてです。

  1. 数値を3乗の形($2^3, 3^3$ など)に直す
  2. 符号の正負を丁寧に変形する

この手順を徹底して、ミスなく計算できるように練度を上げていきましょう!


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