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極値の x が無理数のとき、導関数で割った余りに代入する

の極値は と です。

極値をとる は 。これを 乗して代入するのは骨が折れます。

を で割った余りに代入すれば、計算は 1 次式への代入だけで終わります[1]。

余りに代入してよい理由

を で割ると、 が 2 次式なので余りは 1 次以下です。

極値をとる では 。第 1 項が丸ごと消えます。

次式への代入が、 次式への代入に変わりました。次数が下がるので次数下げと呼びます。

を で割って余りを出す

を使って第 1 項を落とす

余りに を代入する

例:

導関数は です。

の解は から 。無理数になりました。

を で割ります。商は です。

余りは 。したがって です。

なら 、 なら 。

の係数が正なので、小さいほうの で極大、大きいほうで極小です。

例:

なので、極値をとるのは です。

を で割ります。商は 。

余りは です。。

で極大値 、 で極小値 になります。

関数割った余り極値

3 つめは で、極値をとるのは です。

対称性の結果と合っているか

余りが のとき、極値の和は です。

では 、、。和は になります。

一方、対称の中心は で 。和は です。一致しました。

差のほうも見ます。。

極大から極小を引く向きにすると です。係数から出す式でも同じ値になります。

余りが 1 次式なので、極値の和と差が と だけで書ける。

解と係数の関係がそのまま使える形。無理数を最後まで持ち歩かずに済む。

赤い直線は曲線と離れていますが、極値の 2 か所だけ高さが一致します。だから代入の相手を入れかえてよい。

例:文字を含む場合

の極値を、 を残したまま出します。

です。極値をもつ条件は 。

を で割ります。商は です。

余りは 。極値は の形になります。

なので、和は です。

対称の中心は で、。その 倍と一致します。

割り算をどこまでやるか

商は使いません。必要なのは余りだけです。

が 3 次、 が 2 次なので、商は必ず 1 次。 の最高次の係数が なので、商の係数に分数が出ることもあります。

分数を避けたいときは、 を で割った 2 次式で割ります。 と は同じ条件なので、結果は変わりません。

の極値を次数下げで求めるとき、 を で割った余りはどれですか。

__RESULT__

商は です。 なので、引くと になります。極値は で、 なら 、 なら です。

うまくいく理由も確かめます。

次数下げで余りに代入してよいのはなぜですか。

  • 極値をとる で が になるため
  • 余りともとの式が同じ関数だから
  • 商がいつも になるため
__RESULT__

の第 1 項が、 によって消えます。余りともとの式は別の関数で、値が一致するのは極値をとる点だけです。

3 次式への代入を 1 次式への代入に落とす。 という 1 行が、そのための道具になります。

参考文献

4.5 Derivatives and the Shape of a Graph. Calculus Volume 1, OpenStax.
Extremum. Encyclopedia of Mathematics.
3.3 Differentiation Rules. Calculus Volume 1, OpenStax.
$x^3 - 3x^2 - 3x + 1$ の極値をとる $x$ は $1 \pm \sqrt{2}$。3 乗して代入すると計算が重くなります。$f(x) = f'(x)Q(x) + R(x)$ と割っておけば、$f'(\alpha) = 0$ で第 1 項が消えて $f(\alpha) = R(\alpha)$。余りは 1 次式なので代入が一瞬で終わります。この例では $-4x$ が余りで、極値は $-4 \pm 4\sqrt{2}$。余りが 1 次だと極値の和と差も解と係数の関係で書けて、対称の中心から出した値と一致します。文字係数の場合まで扱いました。