y=1x2y = \dfrac{1}{x^2}

分数関数 y=1/x2y = 1/x^2 のグラフ

y=1x2y = \dfrac{1}{x^2}x2x^{-2} とも書ける分数関数です。分母が 22 乗なので値はつねに正で、yy 軸の両側に 22 本の曲線が立ち上がった形になります。

定義域と値域

x=0x = 0 では分母が 00 になるため定義されません。定義域は x0x \neq 0 です。x2>0x^2 > 0 より値はつねに正なので、値域は y>0y > 0 です。1x\dfrac{1}{x} と違い、負の値は決してとりません。

対称性

(x)2=x2(-x)^2 = x^2 なので f(x)=f(x)f(-x) = f(x) となり、yy 軸に関して線対称な偶関数です。グラフは第 11 象限と第 22 象限にあり、yy 軸をはさんで左右対称な 22 本の曲線になります。

漸近線と極限

x0x \to 0 のとき、左右どちらから近づいても y+y \to +\infty に発散します。yy 軸が垂直漸近線です。x±x \to \pm\infty では y0y \to 0 となるので、xx 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 xx 軸に近づきます。

増減

導関数は次のようになります。

y=2x3y' = -\frac{2}{x^3}

x<0x < 0 では x3<0x^3 < 0 なので y>0y' > 0 となって増加し、x>0x > 0 では y<0y' < 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

xx22 倍になると値は 14\dfrac{1}{4} に、33 倍になると 19\dfrac{1}{9} になります。1x\dfrac{1}{x} よりも減衰がずっと速いのが特徴です。

xx1x\dfrac{1}{x}1x2\dfrac{1}{x^2}
111111
220.50.50.250.25
10100.10.10.010.01
1001000.010.010.00010.0001

特徴的な点

(±1,1)(\pm 1, 1)(±2,14)\left( \pm 2, \dfrac{1}{4} \right)(±12,4)\left( \pm \dfrac{1}{2}, 4 \right) を通ります。x=1|x| = 1 が境目で、その内側では値が 11 より大きく、外側では 11 より小さくなります。

裾の面積

x1x \geq 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。

1dxx2=11dxx=\begin{align*} \int_{1}^{\infty} \frac{dx}{x^2} &= 1 \\ \int_{1}^{\infty} \frac{dx}{x} &= \infty \end{align*}

どちらも 00 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。1xp\dfrac{1}{x^p} の形では p>1p > 1 で収束、p1p \leq 1 で発散するという境目が、ちょうど 1x\dfrac{1}{x} 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 22 乗に反比例する
  • 点光源の明るさも距離の 22 乗に反比例して弱まる
  • 距離が 22 倍になれば強さは 14\dfrac{1}{4}

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 22 乗に比例することから導かれます。