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極値をもつ条件と、そこから係数を決める……3 次関数の定番

次関数が極値をもつかどうかは、導関数の 次方程式が異なる 実数解をもつかで決まります[1]

なら です。判別式を で割った値を使います。

解が異なれば、その前後で の符号が変わります。極大と極小が つずつ現れる形。

が正のあいだは山と谷があり、 以下になると消えます。 が実数解をもつかどうかの境目です。

例:極値をもつ範囲を求める

が極値をもつ の範囲を求めます。

判別式を で割ると です。これが正になる条件を書きます。

のときは重解になり、 の符号が変わりません。接するだけで、極値にはならない[1]

例:分数関数の場合

が極値をもつ の範囲を調べます。定義域は

分母は正なので、符号は で決まります。 なら の前後で符号が変わる。

のときは が続き、極値をもちません。 次関数と同じ考え方で、分子の符号だけを見ています。

極値から係数を決める

で極大値 」のような条件から係数を求める問題があります。書く式は 種類です。

という、極値をとる点の条件。
という、極値そのものの条件。

は必要条件にすぎません[1]。係数を出したあと、本当に極値になっているかを増減表で確かめます。

例:4 つの条件から決める

で極大値 で極小値 をとるとします。

つの点を入れます。

引き算すると 、戻して です。

から 。求める関数は になります。

も合っています。条件が つ余るので、検算に使えます。

決まった関数を描くと、条件がそのまま図に出ています。 で高さ 軸に接する形。

十分性の確認が要る理由

を満たしても、そこが極値とは限りません[2] の原点がその反例です。

係数を求めたあと、増減表を書いて符号の変化を確かめます。書かずに答えると、条件を満たさない解を混ぜてしまう。

の符号で判定する道もあります。正なら極小、負なら極大。 のときは判定できないので、増減表に戻ります[3]

が極値をもたない の範囲はどれか。

__RESULT__

の判別式を で割ると です。極値をもたないのは 、つまり のとき。

極値が存在しない形

次関数で極値がないのは、 がつねに同じ符号のときです。単調に増えるか、単調に減るか。

がその例で、。どこでも増え続けます。

が重解をもつ場合も同じです。 では ですが、両側とも正のまま。

と極値の関係で、正しいものはどれか。

  • なら必ず極値をとる
  • 極値をとるなら が成り立つ
  • どちらも相手を導く
__RESULT__

微分できる点で極値をとるなら、そこでの傾きは です。逆は の原点が反例になります。必要条件と十分条件の向きをとり違えないところが要注意。

答案の形をそろえる

極値をもつ条件は、 が異なる実数解をもつ条件です。
次関数なら判別式、分数関数なら分子の符号で判定します。
係数を決めるときは、 を並べます。
出た係数で増減表を書き、本当に極大と極小になっているかを確かめます。
条件が つ余ったら、検算に使います。

必要条件で候補を絞り、十分性で確かめる。この 段構えは、係数決定の問題すべてに共通する形です。

参考文献

Extremwert - Wikipedia(ドイツ語)
Derivatives and the Shape of a Graph - Calculus Volume 1, OpenStax
The Mean Value Theorem - Calculus Volume 1, OpenStax
$3$ 次関数が極値をもつのは、$f'(x)=0$ が異なる 2 実数解をもつとき。$a$ を動かして山と谷ができたり消えたりする様子から始めます。$x=1$ で極大値 4、$x=3$ で極小値 0 という条件からは $x^3-6x^2+9x$ が決まる。$f'(a)=0$ は必要条件にすぎないので、係数を出したあと増減表で確かめるところまでが答案です。