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English

指数と対数の最大最小、置きかえた文字が動く範囲

での最大値は 、最小値は です。

指数関数のままでは二次関数の道具が使えませんが、 と見ると形が変わります[1]

と置けば 。見慣れた二次関数になりました。

ここから先で答えを左右するのは、 がどこまで動けるかです。 の範囲が、そのまま の範囲として渡ってきます。

の範囲を の範囲に移す

は増える一方なので、 に対応する の範囲は端どうしで決まります。

だから 。この 1 行を書いてから二次関数を扱います。

と平方完成すると、軸は 。範囲の左端にちょうど乗っています。

で最小値 で最大値 に戻すと です。

答えは ではなく で聞かれています。戻すところまでが一続きの作業になります。

軸が帯の中にあれば頂点が最小値、外にあれば端が最小値。二次関数の場合分けが、そのまま使えます。

例:軸が範囲の外に出る

同じ で考えます。 の範囲は

は帯の左外です。帯の中では増える一方なので、両端が答えになります。

。最小値 、最大値 です。

の範囲が変わっただけで、最小値の場所が頂点から端へ移りました。範囲を書き出しておく理由がここにあります。

に範囲がないとき

を、 に条件を付けずに考えます。

はどんな実数 に対しても正の値をとり、正の数ならすべて現れます[2]。だから

なら、軸 は範囲の中にあります。最小値は

最大値はありません。 をいくらでも大きくできるので、 も限りなく大きくなります。

という条件は、 の範囲がなくても消えません。指数関数の値域そのものが持ち込む制限です。

対数の置きかえでは範囲が付かない

で考えます。

と置くと です。

の範囲は から 。軸 は中にあります。

で最小値 、両端を比べて 。最大値は です。 に戻すと

の条件を外すと、 は実数全体を動きます[3]。指数の と違い、対数の置きかえには制限が付きません。

和の形は相加平均と相乗平均で

の最小値を求めます。 と置くと なので

正の数 に対して、相加平均は相乗平均以上になります[4]

とすると なので です。

等号が成り立つのは のとき[4] から 、つまり 。最小値は になります。

等号の確認を飛ばすと答えになりません。 以上だと分かっただけでは、 に届く があるかは未確定です。

等号が成り立たない場合

で考えます。 です。

相加平均と相乗平均の関係からは が出ますが、等号は のとき。 の中に入っていません。

こういうときは で増える一方であることを使います。 で最小値

不等式で下限を出したら、その値に手が届くかを必ず確かめる。届かなければ別の道で最小値を探します。

例:積の形になる対数

の最大値を求めます。 が条件です。

商の法則から [5] と置くと

で、 は実数全体を動きます。

最大値は から のときです。最小値はありません。

例:底と真数が入れかわる形

で考えます。底に文字が入っています。

底の変換公式で [5] と置くと です。

から 。相加平均と相乗平均の関係が使えて 、等号は すなわち

逆数の関係にある 2 つを足す形は、置きかえるとどれも に着きます。見た目が違っても中身は同じ。

の最小値はどれですか。

__RESULT__

と置くと なので です。 に軸 が含まれるため、最小値は になります。

で考えたときの最大値はどれですか。

__RESULT__

と置くと で、 です。両端を比べると となり、最大値は になります。

置きかえたら範囲も一緒に運ぶ。指数なら が付き、対数なら付かない。ここを分けておけば、あとは二次関数の話になります。

参考

Exponential Equations and Inequalities/06%3A_Exponential_and_Logarithmic_Functions/6.03%3A_Exponential_Equations_and_Inequalities). Stitz C, Zeager J. Precalculus, Mathematics LibreTexts.
Exponential function. Encyclopedia of Mathematics.
Logarithmic function. Encyclopedia of Mathematics.
Arithmetic Mean. Weisstein E W. MathWorld, Wolfram Research.
Rechnen mit Logarithmus. Serlo Education.
$y = 4^{x} - 2^{x+1} + 3$ は $t = 2^{x}$ と置けば $y = t^{2} - 2t + 3$ になります。ここまでは機械的ですが、答えを分けるのは $t$ がどこまで動けるか。$0 \leqq x \leqq 2$ なら $1 \leqq t \leqq 4$ で最小値 $2$、$1 \leqq x \leqq 2$ なら $2 \leqq t \leqq 4$ で最小値 $3$ に変わります。指数の置きかえには $t > 0$ が付き、対数の置きかえには付かない。$t + 1/t$ の形で相加平均と相乗平均を使うときに、等号が範囲の外へ出てしまう場合の対処まで扱いました。