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導関数の符号を並べれば増減表ができてグラフの形も決まる

を微分すると です。 で になります。

では が負、 では正。だから は まで減り、そこから増えます。

この読み方を 3 段の表にまとめたものが増減表です。

1 段目が 、2 段目が導関数の符号、3 段目がもとの関数の動きです。

作る手順

表を作る流れは決まっています[1]。

導関数を求める

を解いて区切りを決める

区間ごとの符号を書き込む

区切りは の解です。符号が変わりうるのは、値が を通るところだけだからです。

3 段目の矢印は 段目の符号から決まります。正なら上向き、負なら下向き。

区切りの列には、その での の値を書きます。 でした。

例:3 次関数の増減表

で作ります。導関数から始めます。

の解は と 。区切りが 2 つなので、区間は 3 つに分かれます。

、 です。

符号は因数の積で決まります。 では も も負なので積は正です。

canvas: 式は呼び出しにそのまま書いてください。この引数は焼けません -> drawMath(… row === 0 ? 'x' : (row === 1 ? "f'(x)" : 'f(x)') …)

表の縦線と、グラフの折り返しが同じ にそろっています。表はグラフの設計図です。

矢印は形まで表さない

3 段目の矢印は、増えているか減っているかだけを表します。上りの急さや、曲がり方までは表しません[2]。

同じ でも、急な上りとゆるやかな上りが同じ記号になる。だから矢印から曲線の細かい形は決まりません。

グラフを描くときは、区切りでの値をとり、そのあいだをなめらかに結びます。

増減表から読めるのは向きだけで、曲がり方までは書かれていない。

上に凸か下に凸かは 2 回微分で決まる。数学 II では扱わない。

例:山も谷もない 3 次関数

を調べます。導関数は です。

なので 。 になる がありません。

区切りがないので、増減表は 1 区間だけになります。

グラフはずっと右上がり。3 次関数でも、山と谷が出るとは限りません。

例:区切りが 1 つだけ

では です。

で になりますが、平方なので前後どちらでも正。符号が変わりません。

で接線が水平になるだけで、増加は続きます。表の 2 段目に があっても、上下の向きが変わるとは限りません。

canvas: 式は呼び出しにそのまま書いてください。この引数は焼けません -> drawMath(… buildTopRow[column] …)

上の段から順に埋めます。2 段目が決まった時点で 3 段目は自動的に決まる。

グラフを描くまで

増減表ができたら、グラフを描く材料がそろいます[3]。

区切りの点をとり、そのあいだを表の矢印どおりに結びます。 切片も足すと位置が定まる。

なら です。表の と に、この点を加えます。

の解を出して区切りにする。
区切りでの の値を計算する。
切片 を出す。
表の矢印にそって、点をなめらかに結ぶ。

3 次関数のグラフは、山を 1 つと谷を 1 つ持つか、まったく持たないかのどちらかです。

の係数が正なら、左下から来て右上へ抜けます。負なら向きが逆になる。

の係数が正

左下から右上へ。 が 2 解なら山が先、谷があと

の係数が負

左上から右下へ。谷が先で山があと

例:4 次関数

を調べます。導関数は です。

の解は 、。区切りが 3 つで、区間は 4 つに分かれます。

、 です。

谷が 2 つ、山が 1 つ。左右対称の形になります。区切りが増えても手順は同じです。

の増減表で、 の列の 2 段目と 3 段目はどうなりますか。

  • と
  • と極大値
  • と極小値
__RESULT__

なので で です。 側で正、 側で負なので、ここで山になります。 が極大値で、 のほうが極小値 です。

導関数を因数分解し、 になる を並べ、区間ごとに符号を書く。表が埋まればグラフの骨格も決まります。

参考文献

4.5 Derivatives and the Shape of a Graph. Calculus Volume 1, OpenStax.
Josef Leydold. *Kapitel 7: Differentialrechnung*. Mathematik für VW, Wirtschaftsuniversität Wien.
David Guichard. *2.1: The Slope of a Function*/02:_Instantaneous_Rate_of_Change-_The_Derivative/2.01:_The_Slope_of_a_Function). Calculus, Whitman College.
$x^2 - 6x + 13$ の導関数 $2x - 6$ は $x = 3$ で $0$ になり、その前後で符号が入れかわります。これを 1 段目に $x$、2 段目に符号、3 段目に矢印と値を書いた表にまとめたものが増減表。$x^3 - 3x^2 - 9x + 5$ では $3(x+1)(x-3)$ と因数分解して区切りを 2 つ出します。$3(x-1)^2$ のように $0$ になっても符号が変わらない例、$3x^2 + 3$ のように区切りがない例、区切りが 3 つになる $x^4 - 4x^2$ まで並べました。矢印が表すのは向きだけで、曲がり方までは書かれていません。