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導関数が0でも極値とは限らない?極大値と極小値の求め方

のグラフには山と谷が 1 つずつあります。山の頂上が 、谷の底が です。

山の高さ を極大値、谷の深さ を極小値といいます。2 つをまとめて極値と呼ぶ[1]

どちらも になる点で起きますが、 だからといって極値になるとは限りません。

極値は近所での話

極大値は、その点の近くだけを見たときにいちばん高い値です。グラフ全体でいちばん高い値ではありません[2]

が極大値ですが、 のほうがずっと大きい。それでも は極大値です。

のまわりだけに目を向ければ、そこがてっぺんになっている。極値の「極」は、狭い範囲での話だという印です。

極大値

その点の近くだけで最大。まわりを見わたすともっと高い場所がありうる

最大値

定義域の全体で最大。3 次関数には存在しないことが多い

3 次関数は を大きくすればいくらでも大きくなるので、最大値がありません。それでも極大値はあります。

広い範囲では右のほうが高く見えますが、狭めていくとこの点がてっぺんになります。極大の意味はこの狭さにあります。

求める手順

極値を出す流れは 3 段です。

導関数を求める

を解く

解の前後で符号が変わるか調べる

3 段目が要ります。 だけでは、そこが極値だと言えないためです[3]

符号が正から負へ変われば極大、負から正へ変われば極小。変わらなければ極値ではありません。

例:

導関数を因数分解します。

の解は です。増減表を作ります。

で正から負へ変わるので極大、 で負から正へ変わるので極小です。

極大値は 、極小値は になります。

でも極値でない場合

の導関数は で、 になります。

ところが の前後どちらでも正です。符号が変わらないので、極値になりません。

も同じです。 になりますが、前後とも正。

は極値であるための条件のうち、欠かせないほうだけを表す

足りているかどうかは、前後の符号を見ないと決まらない。 の原点がその例になる。

こういう点を停留点といいます。極大でも極小でもない停留点があるので、符号の確認を飛ばせません[4]

真ん中の点で接線が水平になるのは 3 つとも同じです。違うのは、その前後で向きが変わるかどうか。

極値をもつ条件

3 次関数が極値をもつのは、導関数が異なる 2 つの解をもつときです。

で調べます。導関数は です。

2 次方程式が異なる 2 解をもつ条件は判別式が正になること。

または です。 のときは山も谷もできません。

のときは となり、 になるだけで符号は変わりません。

例:極値から係数を決める

で極大値 をとるとします。 を出します。

条件は 2 つです。

なので

から です。

2 つを連立すると になります。

の前後で正から負へ変わるので、確かに極大です。 も合っています。

を書く。
を書く。
連立して係数を出す。
出した係数で、本当に極大になるか符号を確かめる。

最後の確認を飛ばすと、極小になっている場合を見落とします。連立を解いただけでは向きが決まりません。

のあいだにいるとき、緑の点が消えます。山も谷もない 3 次関数になっている。

極値と最大値を混ぜない

区間が指定されていない 3 次関数には最大値も最小値もありません。極値はあります。

区間が のように区切られると話が変わります。区間の端の値も候補に入るためです。

で考えると、極小値 が最小値になります。

最大値は端で決まります。 なので、最大値は

の極大値はいくつですか。

__RESULT__

なので、解は で正から負へ変わるので極大で、 です。 での極小値、 切片にあたります。

停留点の見分けも確かめます。

である関数について、 はどれにあたりますか。

  • 極大値をとる点
  • 極小値をとる点
  • 極値をとらない点
__RESULT__

になりますが、前後どちらでも正です。符号が変わらないので、そこで増減の向きは入れかわりません。接線が水平になるだけの点になります。

を解くところまでは候補さがしです。極値かどうかは、その前後の符号が決めます。

出典

4.5 Derivatives and the Shape of a Graph. Calculus Volume 1, OpenStax.
Extremum. Encyclopedia of Mathematics.
Chapitre 3 — Dérivation, étude de fonctions. MathSV, Université Claude Bernard Lyon 1.
Eric W. Weisstein. *Stationary Point*. MathWorld, A Wolfram Resource.
$x^3 - 6x^2 - 15x + 8$ の極大値は 16、極小値は $-92$ です。ところが $f(10) = 258$ のほうが大きい。極大値はその点の近くだけで最大という意味で、グラフ全体の最大値とは別ものです。$f'(a) = 0$ は候補さがしにすぎず、$x^3$ の原点のように前後で符号が変わらない停留点もある。$x^3 + ax^2 + ax + 1$ が極値をもつ条件を判別式から $a < 0$ または $3 < a$ と出す形、$x = 1$ で極大値 7 という条件から係数を決める逆問題、区間を $[0, 6]$ に区切ったときの最大最小まで扱いました。