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区間や係数が動くときの最大・最小(どこで場合分けするか決める)

最大最小の問題に文字が入ると、場合分けが要ります。動くものが 種類あるので、まずどちらかを見分けます。

区間が動く型と、関数のほうが動く型です。どちらも、山や谷が区間の内にあるか外にあるかで分かれます[1]

区間が右へ動くと、最小値の位置が右端から頂点へ、そして左端へ移ります。切り替わる瞬間が場合分けの境目です。

型 1:区間が動く

で考えます。最小値を で場合分けします。

のとき、区間全体が頂点の右。最小は左端で
のとき、区間全体が頂点の左。最小は右端で
のとき、頂点が区間に入ります。最小は

境目は 。頂点が区間の端に一致する位置です[2]

最大値のほうは、区間の中点で分かれます。頂点から遠いほうの端が最大になるためです。

型 2:関数が動く

で考えます。頂点は で、 が動きます。

区間は固定なので、動くのは軸のほう。とはいえ、調べることは同じです。

軸が区間の外にあるときは、近いほうの端が最小。中に入れば頂点が最小です。

場合分けを書き出す

で調べた結果です。

のとき、最小値は
のとき、最小値は
のとき、最小値は

最大値は区間の中点 で分かれます。 なら なら

最小は軸の位置、最大は中点との比較。 つの境目が別々なので、分けて書きます[3]

上の数直線が最小値、下が最大値の場合分けです。境目の位置が違います。

つの図にまとめて書くと、区切りの数を数え違えにくくなります。

数学Ⅲ の関数でも同じ

で考えます。極大は で、値は

なら区間に極大が入らないので、最大は右端の なら極大が最大になります。

次関数の「軸と区間」が、「極値の位置と区間」に置きかわっただけです。増減表を先に書けば、同じ手順で進みます[3]

で考えたとき、最小値が になる の範囲はどれか。

__RESULT__

頂点 が区間に入っているときです。そのとき最小値は頂点の値 になります。

境目での扱い

のように、ちょうど境目になる値はどちらに入れても同じ値です。どちらかに含めて書きます。

つの場合を書くとき、範囲が重なったり抜けたりしないよう確かめます。 で全体を覆っています。

答案では、場合ごとに最小値を書き並べます。まとめて つの式にできるときもありますが、無理にまとめない。

区間が動く型で、最大値の場合分けの境目になるのはどこか。

  • 頂点の位置
  • 区間の中点が頂点と一致する位置
  • 区間の左端
__RESULT__

最大は、頂点から遠いほうの端でとります。どちらが遠いかが入れかわるのは、中点が頂点に一致するときです。

押さえるところ

動くのが区間か関数かを、まず見分けます。
最小は、極値が区間に入るかどうかで分かれます。
最大は、区間の中点と極値の位置の比較で分かれます。
境目の値は、どちらかの場合に含めて書きます。
数学Ⅲ の関数でも、増減表を書けば同じ手順で進みます。

次関数で習った「軸と区間」の考え方が、そのまま使えます。極値の位置を軸の代わりに置くだけです。

参考文献

Applied Optimization Problems - Calculus Volume 1, OpenStax
Extremwert - Wikipedia(ドイツ語)
Derivatives and the Shape of a Graph - Calculus Volume 1, OpenStax
動くのが区間か関数かで、まず 2 つに分かれます。区間を右へ動かすと最小値の位置が端から頂点へ移る様子、軸が区間を出入りする様子を、どちらも動かして確かめました。最小は極値が区間に入るかどうか、最大は中点との比較で境目が決まる。境目の位置が違うので、2 本の数直線に分けて書きます。$xe^{-x}$ の例つき。