変曲点と凹凸
グラフの曲がる向きが変わる点を変曲点といいます1。f(x)=x3−6x2+9x で求めます。
2 階の導関数
曲がる向きを決めるのは 2 階の導関数です。f′(x)=3x2−12x+9 をもう一度微分して f′′(x)=6x−12 になります。
f′′=0 となるのは x=2 で、f(2)=8−24+18=2 なので変曲点は (2,2) です。
| 範囲 | f′′ | 凹凸 |
|---|
| x<2 | 負 | 上に凸(山のように曲がる) |
| x>2 | 正 | 下に凸(谷のように曲がる) |
f′′ は傾きの増減
f′′ は f′ の増減を表します。f′′<0 の区間では接線の傾きが減っていき、f′′>0 の区間では増えていきます。変曲点は傾きの増減が入れ替わる点で、この関数では接線の傾きが最も小さくなる場所です。実際 f′(2)=−3 が f′ の最小値です。
点対称の中心
3 次関数は変曲点について点対称です。極大点 (1,4) と極小点 (3,0) の中点は (2,2) で、変曲点と一致します。3 次関数のグラフは、変曲点を中心に 180∘ 回すと自分自身に重なります。
符号の変化まで見る
f′′=0 は変曲点の候補にすぎません。f(x)=x4 では f′′(0)=0 ですが、前後で f′′ の符号が変わらないので変曲点になりません。極値のときと同じく、符号の変化まで見ます。
変曲点はいくつ持てるか
| 関数の次数 | f′′ の次数 | 変曲点の個数 |
|---|
| 3 次 | 1 次 | 1 つ |
| 4 次 | 2 次 | 2 つまで |
凹凸の切り替わりが 1 点しかないのは、3 次関数の f′′ が 1 次式だからです。
変曲点での接線
f′(2)=−3 より y=−3(x−2)+2=−3x+8 です。上に凸から下に凸へ変わる点なので、この接線は変曲点で曲線を横切ります。
極値との対応
極値が f′ の符号で決まるのに対し、凹凸は f′′ の符号で決まります。
| 条件 | 判定 |
|---|
| f′=0 かつ f′′>0 | 極小 |
| f′=0 かつ f′′<0 | 極大 |
| f′′=0 で符号が変わる | 変曲点 |
グラフの 3 次曲線が y=x3−6x2+9x、直線が y=f′′(x)=6x−12 で、大きな点が変曲点 (2,2) です。
- Inflection point、Wikipedia