LaTeX965557 views
小学算数1203731 views
教育150077 views
いろは3025218 views
高校生物553211 views
中学英語813624 views
高校国語790013 views
数学講師2913151 views
MathPython501700 views
中学数学625176 views
Help
Tools

English

グラフの概形はどう描くか?漸近線と増減と凹凸をつなぐ

グラフが限りなく近づいていく直線を漸近線といいます。近づくだけで、交わるとは限りません。

種類は つです[1]。どこへ近づくかで呼び分けます。

垂直漸近線。 で が限りなく大きくなるとき、直線 。
水平漸近線。 で となるとき、直線 。
斜め漸近線。 で となるとき、直線 。

分数関数では、分母が になる点が垂直漸近線の候補です。分子も同時に なら、約分できて漸近線にならない場合もあります。

斜め漸近線の求め方

つの極限を順に計算します[2]。傾きを先に出し、次に切片。

分数関数なら、割り算をしてしまうほうが速い[1]。分子を分母で割り、商と余りに分けます。

で最後の項は に近づきます。残る が斜め漸近線です。

垂直な と、斜めの 。この 本を先に引いてしまうと、曲線の居場所がほぼ決まります。

例:概形をかく手順

で、最初から最後までたどります[1]。

定義域は 。
軸との交点は原点だけです。
の様子は に近づきます。
では分母が に近づき、値が発散します。
から、 で極大、 で極小。
から、 で下に凸、 で上に凸。

極大値が 、極小値が です。極小のほうが大きいのは、定義域が で切れているためです。

変曲点はありません。 は にならず、符号が変わるのは定義域の外だけ。

漸近線への近づき方

差の項 が、そのままずれの大きさです。 が大きくなるほど、この値は小さくなります。

赤い縦線が、曲線と直線のへだたりです。右へ進むほど短くなりますが、 にはなりません。

例:

を割ると、この形になります。斜め漸近線は 、垂直漸近線は 軸。

から、 が候補です。 で極小値 、 で極大値 。

なので、 で下に凸、 で上に凸です。原点について対称な形になります。

の斜め漸近線はどれか。

__RESULT__

分子を分母で割ると になります。最後の項が に近づくので、残る が漸近線です。

例:水平漸近線を持つ形

を調べます。 では指数の減り方が勝ち、。

で極大値 、 が変曲点です。 では負の側へ限りなく落ちます。

山を越えたあと、グラフは 軸に貼りつくように下がります。極大と変曲点の位置が近いので、頂上のすぐ右で曲がり方が変わる。

手順をまとめる

概形をかく手順は つです[1]。上から順に埋めていきます。

定義域を確かめます。
軸との交点と、対称性を調べます。
の様子から、水平か斜めの漸近線を出します。
定義域の切れ目で、垂直漸近線を調べます。
の符号から増減と極値を出します[3]。
の符号から凹凸と変曲点を出します。

漸近線を先に引くのがこつです。曲線の通り道が限られるので、あとの増減と凹凸が図の上で確かめられます。

の漸近線の組はどれか。

  • と
  • と
  • と
__RESULT__

分母が になる が垂直漸近線です。 では分子と分母の次数が同じなので、係数の比 に近づきます。

つまずきやすいところ

分母が でも、分子も同時に なら約分できます。漸近線にならない場合があります。
漸近線と曲線が交わることはあります。交わらないのは垂直漸近線だけ。
次数の差が 以上あると、斜め漸近線は現れません。放物線のように広がります。
と で、別々の水平漸近線を持つ関数もあります。
極値の候補と漸近線を混同しないよう、定義域の切れ目に印を付けておきます。

漸近線、増減、凹凸。この つがそろえば、細かい値を計算しなくてもグラフの姿は決まります。

参考文献

Limits at Infinity and Asymptotes - Calculus Volume 1, OpenStax
Asymptote - Wikipédia(フランス語)
Derivatives and the Shape of a Graph - Calculus Volume 1, OpenStax
垂直、水平、斜めの 3 種類の漸近線を先に引くと、曲線の居場所がほぼ決まります。$x^2/(x-1)$ を $x+1+1/(x-1)$ と割って斜め漸近線を出し、ずれが縮んでいく様子を動かして確かめます。$x + 1/x$ と $xe^{-x}$ も同じ 6 手順でたどる。分子と分母が同時に $0$ になる場合や、漸近線と曲線が交わる場合の扱いも書きました。