導関数のグラフと符号

導関数のグラフを重ねると、もとの関数の増減がそのまま読めます。f(x)=x3−3xf(x) = x^3 - 3x と f′(x)=3x2−3f'(x) = 3x^2 - 3 を並べます。

符号と増減

f′(x)=3(x−1)(x+1)f'(x) = 3(x - 1)(x + 1) なので、符号は次のように変わります。

範囲f′(x)f'(x)ff の増減
x<−1x < -1正増加
−1<x<1-1 < x < 1負減少
x>1x > 1正増加

f′f' が xx 軸を横切る x=−1x = -1 と x=1x = 1 が、ff の極値の場所です。f(−1)=2f(-1) = 2 が極大値、f(1)=−2f(1) = -2 が極小値になります。

値の大きさは傾きの急さ

f′f' の値そのものは接線の傾きです。

xxf′(x)f'(x)ff のグラフの様子
−1-100接線が水平(極大)
00−3-3傾き −3-3 で原点を通る
1100接線が水平(極小)
2299急に立ち上がる

f′f' が最小になるのも x=0x = 0 で、そこが ff の傾きが最も小さい点、つまり変曲点にあたります。

対称性

ff は奇関数なので原点について点対称、f′f' は偶関数なので yy 軸について線対称です。微分すると偶関数と奇関数が入れ替わります。

xx 軸との交点

f(x)=x(x2−3)f(x) = x(x^2 - 3) と因数分解できるので、ff が xx 軸と交わるのは x=0x = 0 と x=±3x = \pm\sqrt{3} の 33 点です。極大値が正、極小値が負なので、33 回横切ることは増減からも確かめられます。

もう一度微分する

f′′(x)=6xf''(x) = 6x で、x=0x = 0 で符号が変わります。ff の凹凸が原点で入れ替わることと、f′f' が原点で最小になることは、同じ事実の別の言い方です。

符号の変化まで見る

f′=0f' = 0 となる点は極値の候補にすぎません。f(x)=x3f(x) = x^3 では f′(0)=0f'(0) = 0 ですが、f′f' の符号が変わらないので極値になりません。符号の変化まで見る必要があります。

グラフの 33 次曲線が y=x3−3xy = x^3 - 3x、放物線が導関数 y=3x2−3y = 3x^2 - 3 で、大きな点は極大点 (−1,2)(-1, 2) と極小点 (1,−2)(1, -2) です。