y=x21 分数関数 y=1/x2 のグラフ
y=x21 は x−2 とも書ける分数関数です。分母が 2 乗なので値はつねに正で、y 軸の両側に 2 本の曲線が立ち上がった形になります。
定義域と値域
x=0 では分母が 0 になるため定義されません。定義域は x=0 です。x2>0 より値はつねに正なので、値域は y>0 です。x1 と違い、負の値は決してとりません。
対称性
(−x)2=x2 なので f(−x)=f(x) となり、y 軸に関して線対称な偶関数です。グラフは第 1 象限と第 2 象限にあり、y 軸をはさんで左右対称な 2 本の曲線になります。
漸近線と極限
x→0 のとき、左右どちらから近づいても y→+∞ に発散します。y 軸が垂直漸近線です。x→±∞ では y→0 となるので、x 軸が水平漸近線です。値はつねに正なので、曲線は上側から x 軸に近づきます。
増減
導関数は次のようになります。
y′=−x32 x<0 では x3<0 なので y′>0 となって増加し、x>0 では y′<0 となって減少します。極大も極小もなく、原点に向かって両側から限りなく高くなっていきます。
減り方
x が 2 倍になると値は 41 に、3 倍になると 91 になります。x1 よりも減衰がずっと速いのが特徴です。
| x | x1 | x21 |
|---|
| 1 | 1 | 1 |
| 2 | 0.5 | 0.25 |
| 10 | 0.1 | 0.01 |
| 100 | 0.01 | 0.0001 |
特徴的な点
(±1,1)、(±2,41)、(±21,4) を通ります。∣x∣=1 が境目で、その内側では値が 1 より大きく、外側では 1 より小さくなります。
裾の面積
x≥1 の範囲で曲線の下の面積を比べると、裾の減り方のわずかな違いが結果を分けます。
∫1∞x2dx∫1∞xdx=1=∞ どちらも 0 へ近づいていくのに、積み上げた面積は片方が有限、片方が無限になります。xp1 の形では p>1 で収束、p≤1 で発散するという境目が、ちょうど x1 にあります。
応用
逆二乗の法則として自然界に広く現れます。
- 万有引力とクーロン力は距離の 2 乗に反比例する
- 点光源の明るさも距離の 2 乗に反比例して弱まる
- 距離が 2 倍になれば強さは 41
これは、力や光が球面上に均等に広がり、その球の表面積が半径の 2 乗に比例することから導かれます。