区間が幅を変えずに動く最大最小(3次関数と場合分け)
を で考えます。幅は のまま、位置だけが で動く。
最大値は の値によって になったり になったりします。最小値も同じように切りかわる。
関数は動かず、窓のほうが動く型です。前の型とは分かれ目の作り方が違います[1]。
動く窓から何が見えるか
なので、 で極大値 、 で極小値 です。
窓の幅は 。極大と極小の間隔は なので、窓が両方を同時に含むこともあります。
最大値の候補は 3 つ。極大値 、左端 、右端 です。
極値の位置と値を先に出す
極値が窓に入る の範囲を書く
入らない範囲では両端を比べる
両端のどちらが高いか
窓に極大が入らないとき、左端と右端を比べます。差を計算します。
または のとき、この値は 以上。右端のほうが高いか同じです。
のときだけ左端が高くなります。ただしこの範囲は極大が窓に入るので、比べる必要がありません。
両端の差が という積の形にまとまるのは、差が の 2 次式になるためです。
3 次どうしの差で が消える。窓の幅が一定なので、こういう形にまとまる。
赤い点は窓の右端にいたり、山の頂上に留まったりします。留まっているあいだ、最大値は で一定です。
最大値を で書く
極大の が窓に入る条件は 、つまり です。
この範囲では最大値が に固定されます。両端の値はどちらも 以下だからです。
範囲の外では右端が最大になります。 なら窓全体が増加の区間にあり、 なら差の式から右端が高い。
まとめると、 では 、それ以外では です。
外側の 2 つは同じ式になりました。 と の外では、いつでも右端が最大です。
最小値を で書く
極小の が窓に入るのは 、つまり 。
この範囲では最小値が です。範囲の外では左端が最小になります。
では 、それ以外では になります。
| の範囲 | 最大値 | 最小値 |
|---|---|---|
最大と最小で切りかわる位置が違うので、合わせると 5 つの区間に分かれます。
境目で値がつながる
を両側から見ます。左からは 、右からは 。一致します。
では左からは 、右からは 。ここも一致。
では で、極小値と同じ値です。 では 。
すべての境目で式がつながっています。飛びがあれば計算違いです。

の関数として描くと、平らな部分と曲がった部分がつながった形になります。飛びはありません。
窓の幅を変えるとどうなるか
幅を にすると、極大と極小の間隔 より狭くなります。窓が両方を同時に含むことはありません。
両端の差は です。 になる は で、根号が出ます。
幅を に選んだのは、差が ときれいに因数分解できるためです。
極大と極小を同時に含む がある。値が固定される区間が生まれる
一度に 1 つの極値しか入らない。両端の比較が細かくなる
問題では幅がきりのよい値に選ばれています。両端の差を因数分解できるかどうかを、最初に試します。
を で考えるとき、最大値が で一定になる の範囲はどれですか。
両端の比較も確かめます。
が負になる の範囲はどれですか。
積が負になるのは因数の符号が違うときで、 です。この範囲では左端のほうが高くなりますが、極大も窓に入っているので最大値は になります。
窓が動く型では、極値が窓に入る の範囲を先に書きます。入っているあいだは値が動かないので、そこが答えの平らな部分になります。



















極大をとるのは x=−1 です。窓に入る条件は t≤−1 かつ −1≤t+3 なので、−4≤t≤−1 になります。−2≤t≤1 は極小が入る範囲です。