中学社会670081 views
中学数学625176 views
MathPython501700 views
高校国語790013 views
小学理科721729 views
教育150077 views
高校化学2933198 views
小学算数1203731 views
世界の国567435 views
ヒストリア294981 views
Help
Tools

English

極大値と極小値を足すと真ん中の高さの2倍(3次関数の対称性)

の極大値は 、極小値は です。足すと 。

一方、 です。和はこの 倍になっています。

はグラフの対称の中心でした。極値を 2 つ計算しなくても、中心の高さを 倍すれば和が出ます[1]。

なぜ 2 倍になるのか

3 次関数のグラフは、中心 に関して点対称です。

極大値をとる と極小値をとる は、中心から左右に同じだけ離れています。 と と書ける。

点対称の関係から、この 2 点の高さの和は中心の高さの 倍になります。

左辺が極大値と極小値の和です。だから和は に決まります。

中心の を で出す

そこでの の値を計算する

倍する

極値そのものを求める必要がありません。 を解かなくても和が出る。

例:いくつかの関数で確かめる

は 、 です。和は 。

実際の極値は と で、足すと 。合っています。

なら 、 です。和は 。

極値は と 。足すと で一致します。

関数中心の高さ極値の和

は中心が原点なので和が 。極値の と が打ち消し合っています。

紫の点はいつも赤と緑の中間にあります。上下に動かしても、3 つの間隔は変わりません。

平行移動しても間隔は変わらない

で考えます。、 です。

極値は と 。差はいつも です。

を変えると 3 つの高さがそろって上下しますが、上下の間隔は固定されています。

定数項は極値の和を動かしますが、差には効きません。定数を足すのは、グラフを持ち上げるだけだからです。

定数項 を変えると、極値の和は動くが差は動かない。

和は に含まれるので だけ増える。差は引き算で が消える。

例:和が になる条件

の極値の和が になる を求めます。

和は なので、 になるのは のとき。

で、極値は と 。確かに打ち消し合います。

和が ということは、中心が 軸の上にあるということです。 と同じ条件になる。

このとき極大値と極小値は符号が違うので、積は必ず負です。3 次方程式 は異なる 3 つの実数解をもちます。

例:和から係数を決める

の極値の和が になる を求めます。

中心は です。そこでの値を計算します。

和はこの 倍なので 。

から で です。

を確かめます。 なので極値は と 。和は で合っています。

極値をもたない場合は使えない

和が になるのは、極大値と極小値が実際に存在するときです。

が実数解をもたなければ、そもそも極値がありません。中心の高さは計算できても、和という言葉が意味をもたない。

では で、極値がありません。、 ですが、和を問う場面がない。

極値をもつ

が異なる 2 解。和は で出る

極値をもたない

が実数解をもたないか重解。和という量が現れない

問題文に極値の和とあれば、まず極値をもつ条件が満たされているかを確かめます。判別式が正であることが前提です。

の極大値と極小値の和はいくつですか。

__RESULT__

中心は です。 なので、和は 。極値を個別に出さずに答えられます。

定数項の効き方も確かめます。

の極値の和は、 の極値の和と比べてどれだけ変わりますか。

  • 増える
  • 増える
  • 変わらない
__RESULT__

和は なので、定数を 足すと が 増え、和は 増えます。極値の差のほうは変わりません。

極値を 2 つ求めてから足すのではなく、中心の高さを 倍する。対称性が計算を 1 回に減らします。

出典

4.5 Derivatives and the Shape of a Graph. Calculus Volume 1, OpenStax.
Extremum. Encyclopedia of Mathematics.
Chapitre 3 — Dérivation, étude de fonctions. MathSV, Université Claude Bernard Lyon 1.
$x^3 - 6x^2 + 9x + 1$ の極値は 5 と 1 で、和は 6。対称の中心 $f(2) = 3$ のちょうど 2 倍です。極値をとる 2 点は中心から左右に等しく離れているので、点対称の関係がそのまま和を決めます。$f'(x) = 0$ を解かなくても、$m = -\dfrac{b}{3a}$ を代入して 2 倍するだけ。定数項を変えると和は動きますが差は動きません。和が $0$ になるのは中心が横軸に乗るときで、そのとき解は必ず 3 個。和から係数を逆算する例も入れました。