いろは3025218 views
英語617403 views
高校化学2933198 views
数学講師2913151 views
高校生物553211 views
高校国語790013 views
Computer370048 views
中学理科1633649 views
小学社会311570 views
りんご220229 views
Help
Tools

English

3 次関数のグラフは変曲点について点対称になる性質

次関数のグラフは、変曲点を中心に 度回すと、もとの形にぴったり重なります[1]。

変曲点の位置は決まっています。 なら なので、。

青い曲線が回っていきます。 度でもとの黒い曲線に重なる。

回転の中心は変曲点です。ほかの点を中心にしても、重なりません。

なぜ重なるのか

変曲点が原点に来るように、平行移動します。 を に置きかえる作業です。

移した式には 次の項が消え、次の形になります。

奇数次の項だけが残りました。この形は を満たすので、原点について点対称です[1]。

もとの位置へ戻せば、変曲点についての対称になります。 次の項が消えることが、対称性の正体でした。

極値の中点も変曲点

の 解が、極大と極小の位置です。解と係数の関係から和が分かります。

中点は 。変曲点の 座標と一致します[2]。

座標のほうも同じです。極大値と極小値の平均が、変曲点の 座標になります。対称性から出る結果です。

つの青い点を結ぶと、真ん中が赤い点。破線の中点が変曲点になっています。

接線が曲線と再び交わる点

変曲点が原点にある形 で考えます。 での接線を書きます。

曲線との交点を求めます。連立して整理すると、きれいな因数分解になります。

が重解で、もう つの解が 。接点の反対側に、 倍の距離で交わります。

比が 対 で決まっているところが面白い。 の値によらず、いつでもこの比です。

例:接線と曲線の交点を求める

の での接線を考えます。 から傾きは 。

接線は です。曲線と連立します。

で交わります。 で、公式どおりの位置です。

の変曲点の 座標はどれか。

__RESULT__

が になる位置です。公式 に 、 を入れても同じ値になります。

極値をもつかどうか

の判別式で決まります[1]。

判別式が正なら、極大と極小が つずつ。 字の形になります。
判別式が なら、極値はなく、 点で接線が水平になります。
判別式が負なら、極値はなく、単調に増えるか減るかのどちらかです。
どの場合でも、変曲点はちょうど つあります。
点対称の性質も、極値の有無によらず成り立ちます。

次関数のグラフは、平行移動と拡大縮小を除けば 種類しかありません[1]。 字、水平な接線を つもつ形、単調な形です。

次関数の極大値が 、極小値が のとき、変曲点の 座標はどれか。

__RESULT__

変曲点について点対称なので、極大と極小は中心から等しく離れています。 つの平均が中心の高さで、 です。

押さえるところ

変曲点は に つだけあります。
グラフはその点について点対称です。
極大と極小の中点が、その変曲点になります。
極値の平均が、変曲点の 座標です。
接線が曲線と再び交わる点は、接点の反対側で 倍の距離にあります。

対称性を知っていると、計算せずに答えが出る場面があります。極値の一方から他方を出す、といった使い方ができます[3]。

参考文献

Cubic function - Wikipedia
Derivatives and the Shape of a Graph - Calculus Volume 1, OpenStax
Point d'inflexion - Wikipédia(フランス語)
変曲点を中心に 180 度回すと、もとの形に重なります。回転していく様子を動かして確かめました。理由は、変曲点を原点へ移すと 2 次の項が消えて奇関数になるから。極大と極小の中点が変曲点になること、極値の平均が変曲点の高さになることも同じ対称性から出ます。接線が曲線と再び交わる点が、接点の反対側で 2 倍の距離にある話まで。