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極大値と極小値から係数を逆算する|3次関数の決定問題

で極大値 で極小値 をとる 3 次関数は です。

式が分からず、極値の条件だけが与えられている。この向きの問題では、一般形に条件を当てはめて係数を出します[1]

未知数と条件の数をそろえる

3 次関数の一般形は で、 です。未知数は 4 つ。

4 つを決めるには、独立な条件が 4 つ要ります。極値 1 つにつき条件が 2 つ立ちます。

接線が水平である

。その で導関数が になる

その高さである

。極値の値そのもの

極大と極小が両方与えられれば、 で数がそろいます。ちょうど 1 つに決まる形です。

例:連立して解く

で極大値 で極小値 という条件で進めます。導関数は です。

4 つの式を並べます。

導関数の 2 式から始めます。辺々引くと が消えます。

に入れると

残る 2 式に代入します。

なので です。

から 。したがって になります。

検算をする

出した式が条件を満たすか確かめます。連立を解いただけでは、向きが逆になっている場合を見落とします。

です。 になっている。

では両方の因数が負で積は正、 では負、 では正。 が極大、 が極小で合っています。

。値も一致しました。

導関数から組み立てる別解

極値をとる だと分かっているなら、導関数の形が先に決まります[2]

は 2 次式で、 を解にもちます。だから因数分解した形で書ける。

なら です。

これを積分すると になります。未知数が の 2 つに減った。

から、さきほどと同じ が出ます。

一般形から連立する

4 元連立になる。手順は機械的だが式が多い

導関数から組み立てる

未知数が 2 つに減る。極値の が分かっているときだけ使える

を経由しないぶん、計算が短くなります。極値の 座標が与えられていれば、こちらを試す価値があります。

極値の を決めただけでは、縦にずれた曲線も、つぶれた曲線もまだ残ります。高さの条件が 2 つ入って初めて 1 本に定まる。

例:もう 1 組の条件で解く

で極大値 で極小値 をとる 3 次関数を求めます。

導関数から組み立てます。 です。

積分すると になります。

辺々足すと 。引くと です。

で、 が極大、 が極小。値も で合います。

例:極値の高さが与えられない

で極大、 で極小をとり、 とします。

から 2 つの式が立ちます。

辺々引くと 。代入して です。

なので になります。

極値の値は条件に出てきませんでしたが、 が代わりの 1 本になりました。条件が 3 つでも、 の係数が と決まっていれば足ります。

未知数がいくつあるか数える

条件がいくつ立つか数える

数が合わなければ足りない条件を探す

例:極大値と極小値の差から

)の極大値と極小値の差が になる を求めます。

なので、解は です。

で極大、 で極小になります。値を出します。

差は です。これが になる条件から

両辺を 2 乗すると になります。 で、極値は 。差は です。

極大値と極小値は、 の係数が正なら 左が山、右が谷 になります。

係数が負なら順序が入れかわる。差をとる前に、どちらが上かを決めておく。

を動かすと、山と谷の開き方が変わります。差が になる場所は 1 か所だけです。

を大きくすると山と谷が左右に離れ、上下にも開きます。差が でそろうのは のときだけ。

で極大値 で極小値 をとるとき、 の値はいくつですか。

__RESULT__

を入れると です。ここが極値なので になります。ほかの係数を求めなくても、代入だけで決まります。

導関数から組み立てる解き方も確かめます。

で極値をとる 3 次関数の導関数は、どの形で書けますか。

__RESULT__

は 2 次式で、 を解にもちます。 の係数を とすると の係数は なので、 の形です。3 つめは符号が逆で、解が になってしまいます。

未知数の数と条件の数を先に数える。数が合っていれば、あとは連立を解いて検算するだけです。

出典

4.5 Derivatives and the Shape of a Graph. Calculus Volume 1, OpenStax.
Chapitre 3 — Dérivation, étude de fonctions. MathSV, Université Claude Bernard Lyon 1.
Extremum. Encyclopedia of Mathematics.
$x = 1$ で極大値 5、$x = 3$ で極小値 1 という条件だけから $x^3 - 6x^2 + 9x + 1$ が決まります。一般形の未知数は 4 つ、極値 1 つにつき条件が 2 つ立つので数がそろう。$f'(x) = 3a(x - \alpha)(x - \beta)$ と因数分解して積分すれば、未知数を 2 つに減らせます。極値の高さが与えられず $f(0)$ が代わりになる形、極大値と極小値の差が 4 になる $a$ を求める形も並べました。連立を解いたら、符号の変わり方まで確かめて極大と極小が逆でないかを見ます。