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文字を含む3次関数の最大最小は極値が区間に入るかで分かれる

を で考えます。 とすると、答えは 3 通りに分かれます。

分かれ目は 2 つ。極小をとる点が区間に入るかどうかと、右端の高さが左端を超えるかどうかです。

区間は固定されていますが、関数のほうが で動く。だから場合分けが要ります[1]。

極値の位置を先に押さえる

導関数を因数分解します。

の解は 。 なので は区間の外です。

が極小をとる点になります。これが に入るのは のとき。

の解を の式で書く

その解が区間に入る条件を出す

入る場合と入らない場合で分けて考える

極小が区間に入る場合

のとき、 は まで下がり、そこから まで上がります。

最小値は です。

最大値の候補は両端の と 。どちらが大きいかは しだいです。

を解くと 、つまり 。

が小さいうちは右端がいちばん高く、大きくなると左端に移ります。谷は深くなる一方です。

極小が区間から出る場合

のとき、 は区間の右外にあります。

区間の中では なので 。ずっと減っています。

最大値は左端の 、最小値は右端の です。

3 つに分けて書く

境目は と の 2 つ。まとめると次のようになります。

の範囲最大値最小値

境目では 2 つの式が同じ値になります。 で 、 で 。

つながっているので、等号をどちらに付けても答えは変わりません。

場合分けの境目では、両側の式が同じ値をとる。

つながっていなければ、どこかで計算を間違えている。検算に使える。

例:文字が の係数にある

を で考えます。 です。

なので、極小をとるのは 。

区間に入る条件は 、つまり です。

なら最小値は 。

なら区間で減り続けるので、最小値は です。

最大値の候補は と 。 は 。

平方根が出ると境目も平方根で書かれます。 のように、極値の位置が根号を含むためです。

例:最高次の係数に文字がある

を で考えます。 です。

なので、 が候補になります。

のとき、 で極大、 で極小。値は 、 です。

端は 、。最大は 、最小は になります。

なら山と谷が入れかわりますが、値の集合は同じ。最大は 、最小は です。

が極大。最大 、最小

が極小。最大 、最小

係数の符号で上下が反転します。絶対値をとれば と にまとめられる。

を で考えるとき、最小値が になるのはどの範囲ですか。

__RESULT__

極小をとるのは で、区間に入るのは のときです。 は最大値がどちらの端になるかの境目で、最小値の場合分けとは別の条件になります。

境目の確かめ方も見ます。

場合分けの境目で 2 つの式が同じ値にならなかったとき、まず疑うべきことはどれですか。

  • 計算のどこかが間違っている
  • 境目に等号を付ける位置が違う
  • 場合分けが 1 つ足りない
__RESULT__

最大値と最小値は につれてなめらかに変わるので、境目で値が飛ぶことはありません。食い違ったら、その手前の計算を見直します。

区間は動かず、関数だけが動く。極値の位置を の式で書いて、それが区間のどこにあるかを見るところから始めます。

参考文献

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.
$x^3 - 3a^2x$ を $0 \leq x \leq 3$ で考えると、答えが 3 通りに分かれます。分かれ目は極小をとる $x = a$ が区間に入るかどうかと、右端 $27 - 9a^2$ が左端の $0$ を超えるかどうか。境目は $a = \sqrt{3}$ と $a = 3$ で、そこでは両側の式が同じ値になります。つながっていなければ計算違いなので検算に使える。文字が $x$ の係数にあって境目が根号になる場合、最高次の係数にあって山と谷が入れかわる場合も並べました。