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English

区間の端も候補に入れないと3次関数の最大値は決まらない

で考えると、最大値は です。極大値は ですが、そちらではありません。

という右端で になり、極大値をはるかに上回ります。

2 次関数なら頂点だけ見れば済みました。3 次関数では、区間の端も候補に入れないと答えが出ません[1]

候補は 2 種類だけ

閉区間 での最大値と最小値は、次のどちらかで起きます。

区間の端

。区間が切れている以上、そこで打ち止めになる

区間の中の極値

の解が区間の中にあるときだけ。外にあれば候補に入らない

候補を全部書き出して、いちばん大きいものが最大値、いちばん小さいものが最小値です。

途中で急に飛び上がることはありません。多項式のグラフはつながっているので、山と谷と端しか候補になりません。

例:

導関数から始めます。

の解は 。どちらも区間 の中にあります。

候補は 4 つ。 です。

最大値は 、最小値は になります。最小値は の 2 か所でとる。

極大値は「近所でいちばん高い」だけです。遠くにもっと高い場所があれば、最大値にはなりません[2]

例:端で最大も最小もとる

で調べます。

解は で、どちらも区間の中にあります。

種類
左端
極大
極小
右端

最大値は 、最小値は 。どちらも端でとりました。極大の も極小の も、どちらでもありません。

例:極値が区間の外にある

で考えます。

の解は で、どちらも区間の外です。候補は端の 2 つだけになります。

区間の中では なので、 はずっと増えている。

。最大値は 、最小値は です。

単調な区間では、左端が最小で右端が最大。増減表を書くまでもなく決まります。

例:極値が片方だけ入る

同じ関数を で考えます。 は区間の中、 は外です。

候補は の 3 つ。

最大値は 、最小値は になります。極小値がそのまま最小値になった形です。

を解く

解が区間の中にあるかを確かめる

中にある解と両端の値を並べて比べる

2 段目を飛ばすと、区間の外の極値まで候補に入れてしまいます。解が出るたびに区間と照らします。

区間をずらすと、赤と緑の点が端と山谷のあいだを行き来します。関数は同じでも答えは変わる。

例:4 次関数でも同じ

で調べます。

解は 。区間に入るのは の 2 つです。 は外。

最大値は 、最小値は です。次数が上がっても、候補を並べて比べる手順は変わりません。

区間に文字が入る場合

における最大値を、 の範囲で求めます。

区間の中では が極小です。極大の より左なので入りません。

まで減り、そこから増えます。最大値の候補は左端の と右端の だけ。

どちらが大きいかは しだいです。 を解きます。

なので 、つまり です。

右端がまだ低い。最大値は左端の

右端が追い越す。最大値は

のときは で、左端と並びます。境目がここになる。

が小さいうちは左端が高いままです。 を越えたところで右端が追い抜きます。

における最大値はいくつですか。

__RESULT__

なので候補は 。値は です。極大値 と右端の が並び、最大値は になります。

区間外の解を見分ける問題も確かめます。

における最小値はいくつですか。

__RESULT__

の解 はどちらも区間の外です。区間内では なので単調増加で、最小は左端の は区間外にある での極小値にあたります。

候補を全部出して比べる。この一手で、区間が変わっても文字が入っても同じように片づきます。

参考文献

4.3 Maxima and Minima. Calculus Volume 1, OpenStax.
Extremum. Encyclopedia of Mathematics.
Josef Leydold. *Kapitel 7: Differentialrechnung*. Mathematik für VW, Wirtschaftsuniversität Wien.
$x^3 - 3x$ を $[-2, 3]$ で見ると最大値は 18。極大値の 2 ではなく、右端でとります。候補になるのは区間の両端と、区間の中にある極値だけ。$f'(x) = 0$ の解が区間の外なら候補から外します。$2x^3 - 9x^2 + 12x$ を $[0, 4]$ で見ると最大も最小も端でとり、$x^3 - 3x$ を $[2, 5]$ で見ると単調増加なので端だけで決まる。4 次関数、そして右端が文字の $[0, a]$ で $\sqrt{3}$ を境に主役が入れかわる場合まで扱いました。