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極大値と極小値を掛けた符号で3次方程式の解の個数が決まる

の実数解は 3 個です。解の値を出さなくても、個数だけなら極値から分かります。

の極大値は 、極小値は 。掛けると で負になります。

積が負なら実数解は 3 個。これが 3 次方程式の解の個数を数える基本の道具です[1]。

なぜ積の符号で決まるのか

3 次方程式の実数解の個数は、 のグラフが 軸と何か所で出会うかと同じです。

の係数が正なら、グラフは左下から来て右上へ抜けます。途中に山と谷があれば、 軸との出会い方は山と谷の高さで決まる。

山が 軸より上、谷が下にあれば、グラフは 軸を 3 回またぎます。高さの符号が逆、つまり積が負という条件です。

積が負

山が上、谷が下。あいだで 1 回、外側で 2 回またいで 3 個

積が正

山も谷も同じ側。またぐのは 1 回だけで 1 個

積が のときは、山か谷のどちらかが 軸に乗っています。そこで触れるので、解は 2 個になる。

赤と緑が横軸をはさんでいるあいだは交点が 3 か所。どちらかが横軸に乗ると 2 か所、両方が同じ側へ移ると 1 か所になります。

判定の手順

導関数を求めて極値をとる を出す

極大値と極小値を計算する

2 つを掛けて符号を見る

極値がない場合は、この手順に入る前に決まります。 が実数解をもたなければ、関数はずっと増えるか減るかのどちらか。

軸との出会いは 1 回だけなので、実数解は 1 個です。

例:

から、極値をとるのは 。

、 です。

積は で負。実数解は 3 個になります。

例:積が になる場合

で調べます。、。

積は です。谷がちょうど 軸に乗っている。

実際に因数分解すると で、 が重解、 が単解です。異なる実数解は 2 個。

重解のところでグラフは 軸に触れて戻ります。またがずに跳ね返る形です。

例:積が正になる場合

なら 、。どちらも正で積も正です。

グラフ全体が 軸より上にあるところから下りてきて、1 回だけまたぎます。実数解は 1 個。

方程式極値の積実数解
3 個
2 個
1 個

例:極値をもたない 3 次方程式

を調べます。 です。

なので 。 になりません。

極値がないので、関数はずっと増え続けます。 軸との出会いは 1 回で、実数解は 1 個です。

極値がない 3 次関数は、必ずちょうど 1 個の実数解をもつ。

を大きくすれば値はいくらでも大きく、小さくすればいくらでも小さくなるため。

例:文字を含む方程式

が異なる 3 つの実数解をもつ の範囲を求めます。

の極大値は 、極小値は です。

積が負になればよいので、条件はこうなります。

です。 のときは積が で解が 2 個、外側では 1 個になります。

例:係数が動く形

が異なる 3 実数解をもつ の範囲を出します。

なので、極値は と でとります。

、 です。

になります。定数項だけが動くので、極値の差 は によらず一定です。

最高次の係数が負のとき

のように の係数が負だと、グラフの向きが上下逆になります。

左上から来て右下へ抜ける形です。谷が先に来て、山があとに来る。

それでも判定は変わりません。山と谷が横軸をはさんでいれば 3 回またぐ、という関係は向きによらないためです。

なら 。 で極小、 で極大です。

、。積が負になる条件は で、係数が正のときと同じ範囲になりました。

3 重解になる場合

積が でも、山と谷が同時に 軸に乗ることはありません。片方だけです。

ただし極値をもたない場合に、 軸との接し方が特別になることがあります。 がその例で、解は だけ。

は で になりますが、符号が変わらないので極値ではない。実数解は 1 個です。

極値をもち、積が負なら 3 個。
極値をもち、積が なら 2 個。
極値をもち、積が正なら 1 個。
極値をもたなければ 1 個。

4 つのどれに当てはまるかを見るだけで、解を求めずに個数が言えます。

が異なる 3 つの実数解をもつ の範囲はどれですか。

  • または
__RESULT__

から極値は でとります。、 なので、積が負になる条件は です。

個数の判定も確かめます。

の実数解は何個ですか。

  • 1 個
  • 2 個
  • 3 個
__RESULT__

です。 で になりますが符号が変わらないので、極値をもちません。関数はずっと増え続けるため、実数解は 1 個になります。

解を求めずに個数を言う。極値を 2 つ計算して掛けるだけで済みます。

参考文献

4.5 Derivatives and the Shape of a Graph. Calculus Volume 1, OpenStax.
4.3 Maxima and Minima. Calculus Volume 1, OpenStax.
Chapitre 3 — Dérivation, étude de fonctions. MathSV, Université Claude Bernard Lyon 1.
$x^3 - 3x - 1 = 0$ の実数解は 3 個。極大値 1 と極小値 $-3$ を掛けると負になるからです。山が横軸より上、谷が下にあればグラフは 3 回またぎ、同じ側なら 1 回、どちらかが横軸に乗れば 2 個になる。極値をもたない 3 次関数は必ず 1 個です。$x^3 - 3x + k = 0$ が 3 実数解をもつ条件を $(k+2)(k-2) < 0$ から $-2 < k < 2$ と出す形、$2x^3 - 3x^2 - 12x + a = 0$ の場合まで並べました。解そのものを求めずに個数だけを言えます。