絶対値の和のグラフ

y=x+1+x1y = |x + 1| + |x - 1| のグラフを考えます。これは数直線上の点 xx から 1-111 までの距離の和です。

場合分けで書く

折れ点の候補は、絶対値の中身が 00 になる x=1x = -1x=1x = 1 です。

範囲場合分けした式結果傾き
x<1x < -1(x+1)(x1)-(x + 1) - (x - 1)2x-2x2-2
1x1-1 \leq x \leq 1(x+1)+(1x)(x + 1) + (1 - x)2200
x>1x > 1(x+1)+(x1)(x + 1) + (x - 1)2x2x22

折れ曲がる点は (1,2)(-1, 2)(1,2)(1, 2) で、そのあいだの底が最小値 22 です。

最小値が 22 になる理由

距離の意味からすぐ分かります。1-111 のあいだに立てば、22 点までの距離の和はちょうど 22 点のへだたり 22 に等しくなります。外に出れば、その分だけ余計に歩くことになるので、和は必ず 22 より大きくなります。式でいえば三角不等式です。

x+1+x1(x+1)(x1)=2|x + 1| + |x - 1| \geq |(x + 1) - (x - 1)| = 2

等号が成り立つのが 1x1-1 \leq x \leq 1 のときです。

最小値をとる点が区間になる

おもしろいのは、最小値をとる点が 11 点ではなく区間全体だということです。1-1 から 11 までのどこに立っても、距離の和は 22 のまま変わりません。この平らな底が、絶対値の和という関数の特徴です。

解の個数

x+1+x1=k|x + 1| + |x - 1| = k の解も、この形から読み取れます。

kk の範囲
k<2k < 2なし
k=2k = 21x1-1 \leq x \leq 1 のすべて(無限個)
k>2k > 2外側に 22

水平線を上げ下げすると、解の姿がこのように変わります。

中央値との関係

距離の和を最小にする点、という問題は応用でもよく現れます。数直線上の何点かからの距離の和を最小にするのは、それらの中央値にあたる位置です。点が偶数個なら、真ん中の 22 点にはさまれた区間のどこでもかまいません。

最小にするもの最適な位置
22 乗の和平均
絶対値の和中央値

統計で中央値が外れ値に強いとされる理由が、この平らな底に現れています。大きな点が折れ点と中央 (0,2)(0, 2) です。