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いつでも成り立つ不等式にしたい、文字の範囲を微分で絞る

のすべての が成り立つのは、 のときです。

が小さいと曲線が横軸より下へ出てしまう。出ないぎりぎりの値が になります。

前の型は不等式が正しいことを示す問題でしたが、こちらは成り立つように文字を調整する問題です[1]

最小値が 以上であればよい

「範囲の中のどの でも成り立つ」は、「範囲の中での最小値が 以上」と同じことです。

点でも下へ出たら崩れます。逆に、いちばん低いところが 以上なら、ほかはすべてそれより上にある。

左辺を関数と見て最小値を求める

最小値を の式で書く

その式が 以上になる条件を解く

最小値そのものが を含む形で出るので、最後は についての不等式になります。

例:

とおきます。導関数は を含みません。

の範囲で になるのは だけ。手前で負、その先で正なので、 が最小です。

これが 以上であればよいので 。左端の より大きいので、最小の候補になりません。

谷の底が横軸に触れるところが境目です。それより下がると、その付近で不等式が破れます。

分離して最大値を見る道

同じ問題を、 を片側へ寄せて解くこともできます。

と書き直します。 が単独になりました。

右辺は の関数です。 のすべての でこの不等式が要るので、右辺の最大値以上であればよい。

とおくと で最大です。

なので 。同じ答えになりました。

左辺の最小値を見る

を式に残したまま最小値を出す。 が 2 か所に現れる形でも使える

分離して右辺の最大値を見る

が単独になるので、相手のグラフを 1 回描けば済む

の形なら右辺の最大値、 の形なら右辺の最小値と対応します。不等号の向きで見る場所が変わる。

例:区間が指定される場合

のすべての が成り立つ の範囲を求めます。

が右側にあるので、左辺の最小値が 以上であればよい。

の導関数は です。 になるのは

区間に入るのは だけです。 は左端より外なので候補から外します。

。最小値は です。

したがって になります。区間の中に極小があり、そこが最小になった形です。

最小値を出すとき、区間の外にある極値は候補から外す

を入れて と計算しても、区間の外なので答えには関係しない。

例:4 次関数の場合

すべての実数 が成り立つ の範囲を出します。

です。 になるのは

では が平方なので符号が変わりません。極値ではない。

の前後で の符号が変わるので、こちらが極小です。

になります。4 次関数は を大きくしても小さくしても値が増えるので、極小がそのまま最小です。

2 つのグラフの上下として読む

不等式 は、 より下へ来ない、と言いかえられます。

を動かすと 3 次曲線が上下に平行移動します。直線は動かない。

曲線が直線に触れるところまでは成り立ち、突き抜けると成り立たなくなります。触れる瞬間が境目です。

触れる場所が なのは、そこで 2 本の傾きがそろうからです。 を解いた値になります。

差の関数の最小値を求める計算と、2 本が触れる条件を求める計算は、同じ式を別の言い方で書いたものです。

例: が 2 か所に現れる形

、ただし とします。

なので、 が極小です。

これが 以上になる条件は 。両辺を 2 乗すると です。

の係数に入っているので、分離しても水平線になりません。左辺の最小値を出す道を選びます。

不等式の形見る場所条件
の最大値 最大値
の最小値 最小値
の最小値最小値

のすべての が成り立つ の範囲はどれですか。

__RESULT__

なので、 では が最小です。 以上になる条件から は左端 だけを見た答えにあたります。

不等号の向きも確かめます。

のすべての が成り立つ の範囲はどれですか。

__RESULT__

右辺の最小値を出します。 から が区間内の極小で、。端は なので最小は です。

いちばん低いところが を割らなければよい。成り立つ条件を求める問題も、最小値を出す作業に落ちます。

出典

4.3 Maxima and Minima. Calculus Volume 1, OpenStax.
4.5 Derivatives and the Shape of a Graph. Calculus Volume 1, OpenStax.
Josef Leydold. *Kapitel 7: Differentialrechnung*. Mathematik für VW, Wirtschaftsuniversität Wien.
$x \geq 0$ で $x^3 - 3x + a \geq 0$ がつねに成り立つのは $a \geq 2$ のとき。範囲の中のどの $x$ でも成り立つことは、最小値が $0$ 以上であることと同じです。$a$ を右へ寄せて $a \geq 3x - x^3$ とし、右辺の最大値を見る道もある。不等号の向きで、最大値を見るか最小値を見るかが変わります。区間が指定されて外の極値を候補から外す場合、$x^4 - 4x^3 + a$ のように符号が変わらない停留点がある場合、$a$ が係数に入って分離できない場合まで並べました。