雑学1473612 views
中学数学623755 views
高校物理160203 views
いろは3010814 views
中学社会668760 views
中学理科1630641 views
小学社会310485 views
小学算数1200427 views
英語613639 views
数学講師2886227 views
Help
Tools
NewsSpreadsheetCalendarBookkeepingMarkdown TablesLanguage Model NewsSlidesTier ListPen ToolIllustrationCrayonWatercolorPixel ArtASCII ArtPerspectiveEndless StairsGraphMind MapER DiagramFamily TreeMemeCurved TextImage EditorMosaicRetro FilterPencil SketchSwirl EffectLine ArtOCR/HighlighterMakeup EditorFaviconVideo TrimmerScrolling VideoVideo TitleColor PickerColor ExtractorBonfireFireworksCherry BlossomWater RippleWater SplashBreaking GlassGlass TextureFabric TextureWood GrainMarble TextureBrick Wall TextureMetal TextureWashi Paper TextureCardboard TextureCSS ButtonIcon MakerBar ChartGrouped Bar ChartStacked Bar ChartPie ChartLine ChartArea ChartStacked Area ChartScatter Plot3D Bar Chart3D Pie ChartBar Chart RaceBubble ChartPopulation PyramidPictogramEarningsCandlestick ChartInvestment RiskMortgage SimulatorCalculatorMatrix CalculatorFunction GraphPolynomial ExpansionVenn DiagramField VisualizerRubik's Cube Group TheoryTraveling SalesmanVoronoi and DelaunayFractalColumn ArithmeticDraw Math FiguresArithmetic AnimationArithmetic Word ProblemsCounting with Tree DiagramsCube NetsRolling DiceCross SectionsMotion PathMechanicsWavesElectromagnetic WavesCapacitorsLight and LensesThermodynamicsHow Semiconductors WorkMolecular StructuresAtomic OrbitalsElectrochemical CellsChemical EquilibriumCrystal LatticesBuffer pHOrganic Reaction MapPeriodic TableComplex IonsDNA Double HelixCell DivisionMembrane ChannelsNerve ImpulseMuscle ContractionHormones and HomeostasisRock ClassificationWeatherConstellationsSolar and Lunar Eclipses3D ModelingFloor PlanSeismic StructuresIntersection TurnMaglevCooking AnimationOrigamiLive Viewer CountGeoJSON MapRailway MapPopulation MapCrime MapLand Price MapSchool MapShrine and Castle MapHouse of Representatives MapWord MapSolitaireReversiHakoiri MusumeChessHamburgerRippleSlide Puzzle MakerNeon PinballNovel MakerJapanese Typing PracticePiano Score EditorMusic TheoryShogi StrategyPiano Rhythm Game

English

差をとって最小値を調べる〜微分による不等式の証明

のとき が成り立ちます。示すには、左辺から右辺を引いた関数の最小値を見ます。

とおくと、 での最小値が 。だから で、もとの不等式が出ます[1]

2 つの式を直接くらべるのではなく、差を 1 つの関数にして底を調べる。これが微分を使う証明の形です。

差を関数にする

を示すことと、 を示すことは同じです。

差を と名づければ、あとは 1 つの関数の最小値を求める問題になります。最大最小はすでに微分で扱える。

差の関数 を作る

微分して増減を調べる

指定された範囲での最小値が 以上だと言う

最小値が より大きければ、等号のない不等式になります。 ちょうどなら等号つきです。

例:

差は です。導関数を出します。

の範囲で になるのは だけ。 で負、 で正です。

で最小になり、 です。

では なので、 が成り立ちます。等号は のときだけ。

赤い縦線が 2 つのグラフの差です。 で長さが になり、そこ以外では正のままになります。

因数分解で確かめる

答えが出たら、差の関数を因数分解して確かめます。

になるので を因数にもちます。割ると次の形。

では なので積は 以上です。増減表と同じ結論になりました。

が平方になっているのは、 軸に触れて戻るためです。等号がそこだけで成り立つことと対応します。

範囲の指定が要る理由

という条件を外すと、この不等式は崩れます。

をとると、 が負になるので全体も負。たとえば なら です。

実際に を入れると左辺は 、右辺は 。左辺のほうが小さくなっています。

不等式の証明では、与えられた範囲を最後まで持ち歩く

最小値を求めるときも、範囲の外にある極値は候補から外す。範囲が変われば結論も変わる。

例:

差は です。

の範囲で になるのは だけ。 で負、 で正です。

最小値は 。したがって で、不等式が成り立ちます。

因数分解すると なら なので、やはり 以上です。

例:

差は で、 です。

では が極小で、。左端の より小さい。

最小値が なので成り立ちます。因数分解は です。

不等式差の関数等号

どれも平方の因数が出ています。等号が成り立つ不等式では、差が 軸に触れる形になるためです。

例:区間が指定される場合

のとき を示します。

向きが逆なので、差を とおいて 以上を示します。

なので、区間の中の が極大です。

最小値は端で起きます。。どちらも です。

区間の中では なので、不等式が成り立ちます。等号は の 2 か所。

因数分解すると 。区間の中で なので、確かに 以上です。

範囲の中に最小がある場合

極小値を計算して符号を見る。等号は 1 か所になることが多い

端で最小になる場合

両端の値を計算して比べる。等号が 2 か所になることもある

を示すとき、等号が成り立つのはどの ですか。

__RESULT__

差は で、 では が極小で、 です。因数分解すると になります。

範囲の扱いも確かめます。

が成り立たない はどれですか。

__RESULT__

差の関数は です。 では が負なので、全体が になります。左辺は 、右辺は で、確かに不等号が逆向きです。

引いて 1 つの関数にする。あとは最大最小の問題と同じ手順で、最小値が 以上かどうかを見るだけになります。

参考文献

4.3 Maxima and Minima. Calculus Volume 1, OpenStax.
4.5 Derivatives and the Shape of a Graph. Calculus Volume 1, OpenStax.
Chapitre 3 — Dérivation, étude de fonctions. MathSV, Université Claude Bernard Lyon 1.
$x > 0$ で $x^3 + 4 \geq 3x^2$ を示すには、差の $x^3 - 3x^2 + 4$ を 1 つの関数と見て最小値を調べます。$x = 2$ で $0$ になり、そこ以外では正。$A \geq B$ の証明が、$A - B$ の最大最小の問題に変わります。答えが出たら因数分解して裏をとる。$(x+1)(x-2)^2$ のように平方の因数が出るのは、等号が成り立つ不等式だからです。範囲を外すと $x = -2$ で崩れること、区間が指定されて等号が両端の 2 か所になる場合まで扱いました。