・指数探し                               GAI 氏

 「3^x+4^x=5^x を満たす x は?」と尋ねられると、x=2 と答えられる。

では、次の等式を満たす x の値は何だろうか?

(1) 2^x+3^x=4^x

(2) 4^x+5^x=6^x

(3) 4^x+6^x=9^x

ただし、(1)、(2)は、x を小数点以下16桁までを求め、(3)については、x の明示式を示して
下さい。


(コメント) (1)(2) を、WolframAlpha 先生に解いてもらいました。

(1) x=1.5071265916386531340

(2) x=2.4879391731181746675

(3) は、 (3^x)^2−2^x・3^x−(2^x)^2=0 と変形されるので、

   ((3/2)^x)^2−(3/2)^x−1=0

 これより、 (3/2)^x=(1+)/2 なので、 x=log(3/2) ((1+)/2)

 WolframAlpha 先生の計算によれば、

 x=1.1868143902809817175449880401476446152989326438893320062353300420...

となるそうです。


 らすかるさんからのコメントです。(令和4年7月5日付け)

(1) f(x)=2^x+3^x-4^x とします。

 f(1.5)=2√2+3√3-8≒0.02458>0、f(2)=4+9-16=-3<0 なので、解は、1.5 と 2 の間、
しかも、1.5 にかなり近い方にあることがわかります。

 g(a,b)={af(b)-bf(a)}/{f(b)-f(a)} とします。

 f(a)≒0、f(b)≒0、a≠b となるように、a=1.5、b=1.6 とします。
(※f(a)とf(b)の符号が異なる必要はありません)

 計算は、小数点以下20桁(以下四捨五入)とします。

g(1.5,1.6)=1.50641450252233033645→a
g(1.50641450252233033645,1.6)=1.50705566866716387863→b
g(1.50641450252233033645,1.50705566866716387863)=1.50712664860928688768→a
g(1.50712664860928688768,1.50705566866716387863)=1.50712659163409698130→b
g(1.50712664860928688768,1.50712659163409698130)=1.50712659163865313369→a
g(1.50712659163865313369,1.50712659163409698130)=1.50712659163865313399→b

 16桁以上求まったので終了

 ∴ x≒1.507126591638653134

(2) f(x)=4^x+5^x-6^xとします。

 f(2)=16+25-36=5、f(2.5)=32+25√5-36√6≒-0.28<0 なので、解は、2 と 2.5 の間、
しかも、2.5 にかなり近いほうにあることがわかります。

 g(a,b)={af(b)-bf(a)}/{f(b)-f(a)} とします。

 f(a)≒0、f(b)≒0、a≠b となるように、a=2.4、b=2.5 とします。

 計算は小数点以下20桁(以下四捨五入)とします。

g(2.4,2.5)=2.48609166514948013282→a
g(2.48609166514948013282,2.5)=2.48790297657867599533→b
g(2.48609166514948013282,2.48790297657867599533)=2.48793928282775205771→a
g(2.48793928282775205771,2.48790297657867599533)=2.48793917311166965240→b
g(2.48793928282775205771,2.48793917311166965240)=2.48793917311817466637→a
g(2.48793917311817466637,2.48793917311166965240)=2.48793917311817466754→b

 16桁以上求まったので終了

 ∴ x≒2.48793917311817467

(3) 4^x+6^x=9^x より、(2^x)^2+(2^x)(3^x)=(3^x)^2 即ち、(2^x)^2+(2^x)(3^x)-(3^x)^2=0

 {2^(x+1)+(√5+1)(3^x)}{2^(x+1)-(√5-1)(3^x)}=0

 ここで、 2^(x+1)+(√5+1)(3^x)>0 なので、 2^(x+1)-(√5-1)(3^x)=0

 2^(x+1)=(√5-1)(3^x) より、 (3/2)^x=2/(√5-1)=(√5+1)/2

 ∴ x=log((√5+1)/2)/log(3/2)≒1.1868143902809817


 GAI さんからのコメントです。(令和4年7月6日付け)

 g(a,b)={af(b)-bf(a)}/{f(b)-f(a)} の式がこんな所で役立つんですね。

 参考書には必ず上記の式を書き直す(=a-f(a)/f'(a) :as b→a)問題が問われていた様に記
憶していました。

 つまり、y=f(x) 上での点(a,f(a))での接線がx軸と交わる座標、ひいては、その操作を繰り
返すことにより、f(x)=0 の解 x を導き出すニュートン法の活用に利用できるのか!

 思ってもない手法で解決されていたのでとても参考になります。


(コメント) g(a,b)=a-f(a)/{(f(b)-f(a))/(b-a)}なんですね!


 らすかるさんからのコメントです。(令和4年7月6日付け)

 この手法は何年か前に自分で考えたのですが、今日検索してみたら既にありました(当然
か…)。

 「割線法」または「セカント法」というらしいです。



  以下、工事中!



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