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絶対値を含む関数の微分、折れ目でつながらない傾き

絶対値を含む関数は、中身の符号で場合分けしてから微分します。 なら なら

分けた境目では、左右の傾きが違うことがあります。そこが折れ目になり、微分できません[1]

薄い放物線の、 軸より下の部分を折り返した形です。 に折れ目ができます。

その 点を通るとき、接線の傾きが飛びます。左から近づいた値と右からの値が違うためです。

例:場合分けして微分する

を扱います。中身の符号で つに分けます。

のとき なので のとき なので

での左右を比べます。左からは 、右からは

値が違うので、 では微分できません。 でも同じことが起こります。

増減と極値

つの区間で符号を調べます。

では で減少。
では で増加。
では で減少。
では で増加。

で極大、値は です。 では極小で、値は

折れ目でも極値になります。微分できなくても、増減が変わる点は極値の候補です[2]

折れ目がない場合もある

を見ます。 なら なら

左右の微分係数を計算すると、どちらも です。一致するので、原点でも微分できます。

絶対値が付いていても、折れ目ができるとは限りません。左右の傾きを確かめる作業が必要です。

になる位置に、折れ目が並びます。周期が半分になった形です。

の周期は から半分に縮みます。

最大最小では折れ目も候補

閉区間で最大最小を求めるとき、候補は 種類です[2]

になる点。
微分できない点、つまり折れ目。
区間の両端。

番目を忘れると、答えを落とします。 がその例で、そこが最小値です。

例:区間を決めて最大最小を求める

で調べます。候補を並べます。

になるのは で、値は 。折れ目は で、値は 。端は で、値は

最大値は 、最小値は です。極大値の は、最大値ではありません。

絶対値の外し方

中身が になる点で、数直線を区切ります。区間ごとに符号を決めて、絶対値を外す。

のように つあるときは、 つの区間に分かれます。

区間ごとに 次式や 次式になるので、あとは通常の増減の話です[3]

での微分係数はどれか。

  • 存在しない
__RESULT__

右からの極限は 、左からは です。 つが違うので、極限が つに決まりません。

が微分できない はどれか。

  • だけ
  • どこでも微分できる
__RESULT__

中身が になるのは です。そこで折り返しが起こり、左右の傾きが になります。

押さえるところ

中身の符号で場合分けし、区間ごとに微分します。
境目では左右の微分係数を比べます。一致すれば微分できます。
折れ目でも極値になることがあります。
最大最小の候補に、折れ目を必ず入れます。
のように、絶対値が付いても折れ目ができない場合もあります。

場合分けの境目を数直線に書き出してから始めると、区間の数え落としが減ります。

参考文献

The Derivative as a Function - Calculus Volume 1, OpenStax
Derivatives and the Shape of a Graph - Calculus Volume 1, OpenStax
Applied Optimization Problems - Calculus Volume 1, OpenStax
$|x^2-1|$ は放物線の下半分を折り返した形で、$x = \pm 1$ に折れ目ができます。点が動いて折れ目を通るとき、接線の傾きが飛ぶ様子を確かめました。左右の微分係数が一致すれば $y = x|x|$ のように微分できる場合も。閉区間の最大最小では、$y'=0$ の点と端に加えて折れ目も候補に入れます。$|\sin x|$ の周期が半分になる話まで。