【数I】整式の加法・減法・乗法【数と式(第2回)】

数と式

前回は整式とは何なのかを学習しました。今回は、整式の加法(足し算)・減法(引き算)・乗法(掛け算)について学習します。

整式の加法・減法・乗法は,数の場合と同様に,

交換法則:

$$ A + B=B + A,\ AB=BA $$


結合法則:

$$ (A + B)+ C= A + (B + C ), \ (AB)C=A(BC) $$


分配法則:

$$ A(B + C)= AB + AC, \ (A + B)C=AC + BC $$


を基礎として行われます.

整式の加法・減法


整式の和・差は、同類項をまとめることにより計算することができます。

整式の加法


2つの整式\( \ A,\ B\ \)が与えられたとき, 整式の加法(足し算)は\( \ A\ \)と\( \ B\ \)の項をすべて足します。このとき,同類項があれば整理します。


:整式の加法

(1)\( (2x^2 -x + 1)+ (x^2 -3)\) \begin{align*} &(2x^2 -x + 1)+ (x^2 -3)\\ =&2x^2 -x + 1 + x^2 -3\\ =& 2x^2 + x^2 -x + 1 -3 \\ =& (2 + 1)x^2 -x + (1-3)\\ =& 2 x^2 -x-2 \end{align*}

(2)\( (-3x^2 – 1)+ (2x^2 -7x+2 )\) \begin{align*} &(-3x^2 – 1)+ (2x^2 -7x+2 )\\ =&-3x^2 – 1 + 2x^2 -7x+2\\ =& -3x^2 + 2x^2 -7x – 1 +2 \\ =& (-3 + 2)x^2 -7x + (-1+2)\\ =& – x^2 -7x+1 \end{align*}
上の例は筆算を利用して行うこともできます.同類項の位置を上下でそろえてそれぞれの計算を行います.


(1)

\begin{array}{rcccccc}&2x^2 & -x & 1 \\ +\ \big) & x ^{2} & & -3 \\ \hline & 3x ^{2} & -x & -2 \end{array}


(2)

\begin{array}{rcccccc}&-3x^2 & & -1 \\ +\ \big) & 2x ^{2} & -7x & + 2 \\ \hline & -x ^{2} & -7x & + 1 \end{array}


整式の減法


2つの整式\(\ A,\ B\ \)が与えられたとき, 整式の減法(引き算)は\(\ A + (-B)\ \)と考えて,\( \ B\ \) の各項の符号を変えたものを\(\ A \ \)に足して,同類項をまとめます。




:整式の減法

(1)\( (2x^2 -x + 1)- (x^2 -3)\) \begin{align*} &(2x^2 -x + 1)- (x^2 -3)\\=& (2x^2 -x + 1)+ (-x^2 + 3) \\ =&2x^2 -x + 1 – x^2 + 3\\ =& 2x^2 – x^2 -x + 1 + 3 \\ =& (2 – 1)x^2 -x + (1 + 3)\\ =& x^2 -x + 4 \end{align*}

(2)\( (-3x^2 – 1)- (2x^2 -7x+2 )\) \begin{align*} &(-3x^2 – 1)- (2x^2 -7x+2 )\\ =&(-3x^2 – 1)+ (-2x^2 + 7x – 2 )\\=&-3x^2 – 1 – 2x^2 + 7x – 2\\ =& -3x^2 – 2x^2 + 7x – 1 – 2 \\ =& (-3 – 2)x^2 + 7x + (-1-2)\\ =& -5 x^2
+7x-3 \end{align*}
上の例は筆算を利用して行うこともできます.同類項の位置を上下でそろえてそれぞれの計算を行います.


(1)

\begin{array}{rcccccc}&2x^2 & -x & 1 \\ -\ \big) & x ^{2} & & -3 \\ \hline & x ^{2} & -x & +4 \end{array}


(2)

\begin{array}{rcccccc}&-3x^2 & & -1 \\ -\ \big) & 2x ^{2} & -7x & + 2 \\ \hline & -5x ^{2} & +7x & -3 \end{array}


整式の定数倍


整式の定数倍はすでに中学校で学習したように,分配法則を使って計算します。


:整式の定数倍

  • \(2(x ^{2} + 3 -1)=2 x ^{2} + 6-2 \)
  • \( -2(x ^{2} + 3 – 1)=-2 x ^{2} – 6 + 2\)


符号が\( \ – \ \)のとき\(\ -(a-b)\ \)を\(\ -a -b\ \)と計算してしまうミスをしないように注意してください

整式の加法・減法の計算練習

ここでは,今まで個別に学習してきた整式の加法,定数倍,減法を組み合わせた計算を学習していきます。


整式の乗法


整式の乗法では,単項式の積の計算が基本になります。そこで,まずは指数法則・単項式の乗法について学習しましょう。

指数法則


累乗・\( n\ \)・指数

\( a\ \)をいくつか掛けたものを\(\ a\ \)の累乗といいます.\(a\ \)を\( \ n \ \)個かけた累乗を\( \ a \ \)の\( \ n \ \)乗といい\( \ a^n\ \)と表す。このとき,\( \ n \ \)を\( \ a^n \ \)の指数といいます.


:累乗

  • \( a^1=a\)
  • \( a^2=a\times a\)
  • \( a^n=\underbrace{a\times a\times \cdots\cdots \times a}_{n\ 個}\)
  • \( a^n=\underbrace{a\times a\times \\ \ \ \cdots\cdots \times a}_{n\ 個}\)


累乗の積は,次のように計算されます.
:累乗の積

  • \( a ^{3}a ^{2} =\underbrace{aaa}_{3個}\times \underbrace{aa}_{2個}=a^{3 + 2}=a^5 \)
  • \( (a ^{2})^{3} =\underbrace{\underbrace{aa}_{2個}\times \underbrace{aa}_{2個}\times \underbrace{aa}_{2個}}_{3組}=a^{2\times3}=a^6 \)
  • \((a b) ^{3}=\underbrace{ab\times ab \times ab}_{3組}=\underbrace{aaa}_{3個}\times\underbrace{bbb}_{3個}=a ^{3}b ^{3} \)



一般に,次の指数法則が成り立ちます.

指数法則

m、nが正の整数のとき
\( a^ma^n=a^{m+n}\),\( (a^m)^n=a^{mn}\),\( (ab)^n=a^nb^n\)


単項式の乗法


単項式の積は,係数、文字の部分の積をそれぞれ計算していきます。指数法則を使うと計算間違いが少なく計算することができます。


:単項式の乗法

(1)\begin{align*}2a ^{3}\times 3a ^{4} &= (2\times 3)a ^{3 + 4} \\ &=a ^{7}  \end{align*} 

(2)\begin{align*} 3 x y^{2} z^{3}\times 4 x ^{2} y ^{3} z ^{4} &=(3 \times 4) x ^{1 + 2}y ^{2 + 3 }z ^{3 + 4} \\ &=  12 x ^{3}y ^{5}z ^{7} \end{align*} 

(3)\begin{align*} (2 x ^{2} y ^{3}) ^{2}\times (-3 x ^{2} y)&= 2 ^{2}(x ^{2} )^{2} (y ^{3} )^{2} \times (-3) x ^{2} y \\ &= 4 x ^{2\times 2}y ^{3\times 2} \times (-3)x ^{2} y \\ &= 4 x ^{4}y ^{6}\times (-3)x ^{2} y \\ &=\{ 4\times (-3)\} x ^{4 + 2}y ^{6 + 1}\\ &= -12 x ^{6}y ^{7} \end{align*} 

整式の乗法


整式の乗法は分配法則を用いて計算します。

この法則を使えば\(\ A(B + C + D)\ \)でも同様に計算することができます。

:単項式の乗法


整式(多項式)の積は,分配法則を用いて,次のように計算します.

この法則を使えば\(\ A(B + C + D)\ \)でも同様に計算することができます。

:整式(多項式)の乗法


上の例で用いた\( \ cdot \ \)は,積を表す記号で,\(\ \times \ \)と同じ意味です.\( \cdot \ \)を使えば\(\ x\ \)(エックス)と見間違えることがなくなります.でも,\( \times\ \)は\( \cdot\ \)より 大きくて掛け算であることが分かりやすいこともあるので,状況に応じて好きな方を使ってください.


展開

いくつかの整式の積の形をした式において,積を計算して単項式の和の形に表すことを,その式を展開するといいます.


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