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極値の差は係数だけで決まる - 解と係数の関係を使う近道

の極大値と極小値の差は です。極値そのものを計算しなくても出ます。

差を決めているのは、極値をとる 2 つの がどれだけ離れているかだけ。その距離は解と係数の関係から出せます[1]

の 2 解です。 の係数。

中心へ移して形を見る

対称の中心 とおくと、 の項が消えて次の形になります。

です。極値をとるのは のとき、つまり の 2 か所。

は中心から極値までの距離で、 を満たします。 と書けます。

を代入します。

中心から上へ 、下へ 。差は です。

の間隔の半分なので 。代入すると冒頭の式になります。

上と下に同じ量だけ離れているので、差はその 倍。中心が上下の真ん中にいることの言い換えです。

間隔を係数から出す

の 2 解に、解と係数の関係を当てます。

差の 2 乗は、和の 2 乗から積の 倍を引いて出します。

の判別式の にあたる量です。これが正のとき極値をもちます。

を計算する

を出して平方根をとる

を掛けて 3 乗する

例:数値で確かめる

です。

なので

差は です。実際の極値 の差と一致します。

なら

差は 。極値 の差です。

関数極値の差

定数項は効かない

差の式に が現れません。定数項を変えてもグラフが上下に動くだけで、上下の間隔は変わらないためです。

の極値の差は、どちらも

の係数や の係数を変えると差が動きます。効くのは の 3 つだけです。

間隔が広がると差も広がります。 乗で効くので、間隔が 倍なら差は 倍です。

例:差から係数を決める

)の極値の差が になる を求めます。

なので で、間隔は

差は です。

から 。両辺を 乗して

例: の係数が動く場合

の極値の差が になる を出します。

なので 。間隔は です。

差は

から

で確かめます。 なので極値は 。差は です。

差の式には が入るので、符号の違う 2 つの答えが出ることがある

の係数の符号を変えると、グラフは左右に裏返るだけ。上下の間隔は変わらない。

の極大値と極小値の差はいくつですか。

__RESULT__

なので で間隔は 、差は です。定数項の は差に効きません。

定数項の扱いも確かめます。

極値の差が変わらないのは、次のうちどの操作をしたときですか。

  • 定数項だけを変える
  • の係数だけを変える
  • の係数だけを変える
__RESULT__

差の式は だけで書けて、 が現れません。定数項を変えるのはグラフを上下に動かすだけなので、上下の間隔は変わりません。

極値を 2 つ計算して引くのではなく、間隔を出して 乗する。解と係数の関係が、平方根の計算 1 回に置きかえてくれます。

参考

4.5 Derivatives and the Shape of a Graph. Calculus Volume 1, OpenStax.
Extremum. Encyclopedia of Mathematics.
Josef Leydold. *Kapitel 7: Differentialrechnung*. Mathematik für VW, Wirtschaftsuniversität Wien.
$x^3 - 3x^2 - 9x + 5$ の極大値と極小値の差は 32。極値そのものを計算せずに出せます。中心へ移すと $au^3 + pu$ の形になり、極値は中心から上下へ $2ar^3$ ずつ離れる。差は $\dfrac{a}{2}(\beta - \alpha)^3$ で、間隔は解と係数の関係から $(\beta - \alpha)^2 = \dfrac{4(b^2 - 3ac)}{9a^2}$ と出ます。定数項は差に効きません。間隔が 2 倍なら差は 8 倍。差が 4 になる条件から $x^3 - 3ax$ の $a$ を決める例も入れました。