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1f(x)=x36x2+9xf(x) = x^3 - 6x^2 + 9x で求めます。

22 階の導関数

曲がる向きを決めるのは 22 階の導関数です。f(x)=3x212x+9f'(x) = 3x^2 - 12x + 9 をもう一度微分して f(x)=6x12f''(x) = 6x - 12 になります。

f=0f'' = 0 となるのは x=2x = 2 で、f(2)=824+18=2f(2) = 8 - 24 + 18 = 2 なので変曲点は (2,2)(2, 2) です。

範囲ff''凹凸
x<2x < 2上に凸(山のように曲がる)
x>2x > 2下に凸(谷のように曲がる)

ff'' は傾きの増減

ff''ff' の増減を表します。f<0f'' < 0 の区間では接線の傾きが減っていき、f>0f'' > 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)=3f'(2) = -3ff' の最小値です。

点対称の中心

33 次関数は変曲点について点対称です。極大点 (1,4)(1, 4) と極小点 (3,0)(3, 0) の中点は (2,2)(2, 2) で、変曲点と一致します。33 次関数のグラフは、変曲点を中心に 180180^\circ 回すと自分自身に重なります。

符号の変化まで見る

f=0f'' = 0 は変曲点の候補にすぎません。f(x)=x4f(x) = x^4 では f(0)=0f''(0) = 0 ですが、前後で ff'' 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ff'' の次数変曲点の個数
331111
442222 つまで

凹凸の切り替わりが 11 点しかないのは、33 次関数の ff''11 次式だからです。

変曲点での接線

f(2)=3f'(2) = -3 より y=3(x2)+2=3x+8y = -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 ff' の符号で決まるのに対し、凹凸は ff'' の符号で決まります。

条件判定
f=0f' = 0 かつ f>0f'' > 0極小
f=0f' = 0 かつ f<0f'' < 0極大
f=0f'' = 0 で符号が変わる変曲点

グラフの 33 次曲線が y=x36x2+9xy = x^3 - 6x^2 + 9x、直線が y=f(x)=6x12y = f''(x) = 6x - 12 で、大きな点が変曲点 (2,2)(2, 2) です。

  1. Inflection point、Wikipedia