絶対値をつけた放物線

y=∣x2−1∣y = |x^2 - 1| のグラフを考えます。これは放物線 y=x2−1y = x^2 - 1 のうち xx 軸より下の部分(−1<x<1-1 < x < 1)を、xx 軸で上に折り返したものです。

場合分けで書く

範囲x2−1x^2 - 1 の符号yyグラフの形
∣x∣≥1|x| \geq 100 以上x2−1x^2 - 1下に凸
∣x∣<1|x| < 1負1−x21 - x^2上に凸(山)

後者は上に凸の放物線で、(0,1)(0, 1) を頂点とする山になります。値域は y≥0y \geq 0 で、負の値はとりません。

折れ点

x=−1x = -1 と x=1x = 1、すなわち x2−1=0x^2 - 1 = 0 となる点では、グラフが xx 軸に達したところで折れ曲がります。この折れ点では微分できません。x=1x = 1 の右側では傾きが 2x=22x = 2、左側では y=1−x2y = 1 - x^2 の傾き −2x=−2-2x = -2 で、左右の傾きが一致しないからです。絶対値をつけると、もとの関数が 00 を横切る場所に角ができるのです。

角ができる条件

一般に y=∣f(x)∣y = |f(x)| のグラフは、ff のグラフの xx 軸より下の部分を上に折り返した形になります。ただし、ff が xx 軸に接するだけで横切らない零点では、折り返しても角はできません。

関数零点でのふるまい折り返した結果
y=∣x2−1∣y = |x^2 - 1|x=±1x = \pm 1 で横切る角ができる
y=∣x2∣y = |x^2|x=0x = 0 で接するy=x2y = x^2 のまま

符号が変わるかどうかが、角ができるかどうかを分けます。

解の個数

∣x2−1∣=k|x^2 - 1| = k の実数解の個数を、水平線 y=ky = k との交点の数として読みます。

kk の範囲実数解の個数内訳
k<0k < 000 個交わらない
k=0k = 022 個折れ点 x=±1x = \pm 1
0<k<10 < k < 144 個山の両側と外側の 22 か所
k=1k = 133 個山の頂上と外側の 22 点
k>1k > 122 個外側だけ

山の高さ 11 を境に、交点の個数が変わっていくようすが読み取れます。折り返してできた山が、解の個数を増やしているのです。

対称性

y=∣x2−1∣y = |x^2 - 1| は偶関数で、yy 軸に関して対称です。もとの x2−1x^2 - 1 が偶関数であり、絶対値をとっても対称性は保たれるからです。大きな点が、折れ曲がる (−1,0)(-1, 0)・(1,0)(1, 0) と山の (0,1)(0, 1) です。