中学理科1633649 views
高校化学2933198 views
LaTeX965557 views
英語617403 views
ヒストリア294981 views
いろは3025218 views
高校国語790013 views
小学理科721729 views
世界の国567435 views
MathPython501700 views
Help
Tools

English

1本の直線が2か所で接する〜4次関数の二重接線を係数比較で出す

には、2 か所で同時に接する直線があります。 で、接点は と 。

1 本の直線が 1 つの曲線に 2 回触れる。3 次関数では起きませんが、4 次関数では起こります[1]。

こういう直線を二重接線といいます。求め方は、差が平方になるように係数を合わせるだけです。

差が完全平方になる

曲線から直線を引いた式を考えます。接点が と の 2 か所なら、両方で重解になる。

右辺は と書けます。中身を とおけば、 です。

この形に展開します。

もとの式と係数を比べれば、、、、 が順に決まります。

差が になると置く

と の係数から と を出す

と定数の係数から と を出す

と の係数には直線が効きません。だからそこから先に と が決まります。

例:係数を順に合わせる

で計算します。

の係数から で 。

の係数から 。 で です。

の係数を見ます。左辺は 、右辺は 。

から です。

定数項は左辺が 、右辺が 。 から 。

二重接線は になります。接点は から と 。

差が平方の形なので、曲線は直線より下へ出ません。接点で になり、それ以外では正です。

例:左右対称な場合

で試します。 の係数が なので 。

の係数から で です。

の係数は左辺が 、右辺が 。 になります。

定数項は左辺が 、右辺が 。 です。

二重接線は という水平な直線。接点は から です。

これは極小値をとる 2 点にあたります。左右対称な 4 次関数では、2 つの谷を結ぶ水平線が二重接線になる。

関数二重接線接点

3 つめは 、 から出ます。接点が無理数でも、直線の式はきれいなことがあります。

高さがちょうど のときだけ、2 つの谷に同時に触れます。上げれば 4 点で交わり、下げれば交わりません。

3 次関数には二重接線がない

3 次関数から直線を引くと、残るのは 3 次式です。

2 か所で接するには の形が要りますが、これは 4 次式。次数が合いません。

3 次式で作れるのは まで。接点が 1 つで、もう 1 つは横切る点になります。

3 次関数

差は 3 次式。重解は 1 つまでで、二重接線がない

4 次関数

差は 4 次式。重解を 2 つ持てるので、二重接線がありうる

次数が接点の数を決めています。だから二重接線は 4 次関数から先の話になります。

二重接線をもたない 4 次関数

で計算すると 、、、 が出ます。

差は で、 が 4 重解。接点が 1 か所に重なっています。

2 つの接点が離れているには、 が異なる 2 実解をもつ必要があります。

なら で成立。 なら で成立しません。

係数比較はいつでも進みますが、出た結果が 2 接点になるとは限らない。

の符号を最後に確かめる。 なら接点が重なり、負なら実数の接点がない。

例:接点から逆に作る

接点を と にしたい場合、 が差になります。

展開すると です。ここに好きな直線を足せば、その直線が二重接線になります。

を足すと 。この曲線の二重接線が です。

で直線の値も 、 で直線も 。一致します。

の二重接線はどれですか。

__RESULT__

、 から 。 の係数は で 、定数は で です。接点は になります。

存在の条件も確かめます。

4 次関数の二重接線が実際に 2 つの接点をもつ条件はどれですか。

__RESULT__

接点は の解です。異なる 2 実解をもつ条件が判別式が正、つまり になります。 なら接点が 1 点に重なります。

差を平方の形に置いて係数を比べる。展開した式を 1 行書けば、あとは順番に係数が決まっていきます。

参考文献

3.1 Defining the Derivative. Calculus Volume 1, OpenStax.
4.5 Derivatives and the Shape of a Graph. Calculus Volume 1, OpenStax.
David Guichard. *2.1: The Slope of a Function*/02:_Instantaneous_Rate_of_Change-_The_Derivative/2.01:_The_Slope_of_a_Function). Calculus, Whitman College.
$x^4 - 2x^3 - 3x^2 + 6x + 3$ には $y = 2x - 1$ という、2 か所で同時に接する直線があります。曲線から直線を引いた差が両方の接点で重解になるので、$(x^2 + ux + v)^2$ の形になる。展開して係数を比べれば $u$、$v$、$m$、$n$ が順に決まります。$x^3$ と $x^2$ の係数には直線が効かないので、そこから先に $u$ と $v$ が出る。3 次関数では次数が足りず二重接線がありません。接点が離れる条件 $u^2 - 4v > 0$ の確認まで扱いました。