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3次関数のグラフは真ん中の一点に関して点対称になっている

のグラフを、点 を中心に 度回すと、もとの形にぴたりと重なります。

放物線は左右対称でした。3 次関数は左右対称ではありませんが、ある 1 点に関して点対称になっています[1]。

その中心は の位置にあります。極大値をとる点と極小値をとる点の、ちょうど真ん中です。

点対称とはどういうことか

点 に関して点対称とは、グラフ上のどの点をとっても、 をはさんだ反対側の同じ距離のところに、またグラフ上の点があるということです。

式で書くと、中心を として次が成り立つことになります。

左辺は から左右に同じだけ離れた 2 点の高さの和。それが中心の高さの 倍になっている。

つまり 2 点の高さの平均が、いつでも中心の高さに一致します。中心は上下方向でも真ん中にいる。

赤い線分をどれだけ伸ばしても、その中点は緑の点から離れません。これが点対称の意味です。

中心を原点へ動かして示す

証明は、中心が原点に来るように平行移動するだけで済みます。

で とおき、 の式に整理します。

の係数に注目します。 を入れると になる。

の項が消えました。残るのは の奇数乗だけです。

右辺は を に変えると符号が反転する形、つまり奇関数です。原点に関して点対称になる。

を選ぶ理由は、 の項を消すためです。

が残ると偶数乗の項が混じり、符号の反転が崩れる。 を解いた値がこれになる。

もとに戻せば、 は点 に関して点対称です。 の値は係数だけで決まります。

例:中心を求める

では 、 です。

なので、中心は 。

なら です。。

は なので 。中心は原点で、奇関数そのものです。

関数中心の 中心の

極値の真ん中にある

中心は、極大値をとる と極小値をとる のちょうど中点にあります。

の 2 解を 、 とすると、解と係数の関係から和が出ます。

中点は 。さきほどの と一致しました。

極値が存在しない 3 次関数でも は定まります。 が実数解をもたなくても、点対称の中心はある。

点線の両端が極値、その中点が中心です。 座標でも 座標でも真ん中にいます。

例:対称性で値を出す

で、 が分かっているとき を求めます。

中心は です。 と は から左右に ずつ離れています。

対称性から 。 なので、。

直接計算しても です。合っています。

中心の を で出す

2 点が中心から等距離かを確かめる

和が になることを使う

例:中心が原点に来る形へ直す

の中心は 、 です。

とおいて整理します。

の項が消えました。 は奇関数なので、 だけ持ち上げた形になっています。

どの 3 次関数も、平行移動すれば という形にそろえられます。3 次関数が 1 種類しかない、と言われる理由です。

のグラフが点対称になる中心の 座標はいくつですか。

__RESULT__

に 、 を入れて です。 は を計算した値にあたります。

対称性の使い方も確かめます。

中心が である 3 次関数で のとき、 はいくつですか。

__RESULT__

と は中心から左右に ずつ離れています。 なので、 です。

の項を消す位置に中心がある。そこを原点へ持っていけば、3 次関数はすべて奇関数と定数の和になります。

参考文献

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.
Josef Leydold. *Kapitel 7: Differentialrechnung*. Mathematik für VW, Wirtschaftsuniversität Wien.
$x^3 - 3x^2 - 9x + 5$ のグラフは $(1, -6)$ を中心に $180$ 度回すと重なります。中心は $x = -\dfrac{b}{3a}$ で、極大値をとる点と極小値をとる点の中点。$x = m + u$ とおいて整理すると $u^2$ の係数が $3am + b$ になり、この $m$ でちょうど消えます。残るのは奇数乗の項だけなので原点対称になる。$f(m+u) + f(m-u) = 2f(m)$ を使えば、片方の値からもう片方が引き算だけで出ます。$x^3 - 6x^2 + 9x + 1$ を $u^3 - 3u + 3$ に直す計算まで載せました。