高校化学2933198 views
ヒストリア294981 views
高校倫理1444503 views
MathPython501700 views
雑学1474218 views
高校物理162509 views
中学数学625176 views
高校国語790013 views
Computer370048 views
数学講師2913151 views
Help
Tools

English

3つの解を全部そこへ収めるには?3次方程式と範囲の条件

の 3 つの解が全部 に入るのは、 のときです。

解が 3 個あることと、その 3 個が指定の範囲に収まることは別の条件。両方を同時に満たす を探します[1]。

見るのは 4 つの数だけです。極大値、極小値、そして区間の両端での値。

4 つの数を先に出す

の導関数は です。

極大値は 、極小値は 。

区間の端では 、 です。

場所値
左端
極大
極小
右端

この 4 つで、区間の中の形が決まります。左端の から上がって 、下がって 、また上がって 。

3 個あるための条件

解が 3 個になるのは、水平線 が極小値と極大値のあいだにあるときです。

これは範囲の指定を無視した、全体での条件になります。

全部を範囲に入れる条件

いちばん左の解が より右にあり、いちばん右の解が より左にあればよい。

左の解は の増加する部分にあります。この部分で は より左では 未満です。

だから解が より右にある条件は 。

右の解は の増加する部分。 より右では が を超えるので、条件は です。

解が 3 個ある条件を書く

左端と右端での値を使って両側から絞る

共通部分をとる

3 つを合わせると かつ かつ 。共通部分は です。

を上下させると、解が範囲から出たり入ったりします。3 つとも緑になるのが のあいだ。

例:ちょうど 2 個にする

同じ関数で、 にちょうど 2 個の解をもつ を求めます。右端を に変えました。

です。区間の中の形は、 から へ上がり、 へ下がり、 へ上がる。

3 つの区間に分けて、それぞれで解が 1 個できる条件を書きます。

上りの部分では のとき 1 個。
下りの部分では のとき 1 個。
最後の上りでは のとき 1 個。

合計が 2 個になるのは、上り 2 つのうち片方だけが効くときです。

なら最初の上りと下りで 2 個。 なら下りと最後の上りで 2 個。

答えは または 。離れた 2 つの範囲になりました。

答えが 1 つのつながった範囲になるとは限りません。離れた区間が並ぶこともある。

上りと下りを別々に数えるので、条件が別々の場所で満たされる。

例:正の解と負の解に分ける

の解を、符号で分けて数えます。 が目印です。

解が 3 個ある で考えます。左端の解は にあるので、いつでも負です。

真ん中の解は にあり、この区間で は減っています。 なので、 なら解は正、 なら負。

右端の解は にあるので、いつでも正です。

のとき

正の解が 2 個、負の解が 1 個

のとき

正の解が 1 個、負の解が 2 個

なら真ん中の解がちょうど 。正が 1 個、負が 1 個、残り 1 個は です。

すべてを範囲に入れられない場合もある

範囲を にして、3 つの解を全部入れられるか考えます。

左からの条件は 、右からの条件は です。

と を同時に満たす はありません。この範囲に 3 つ全部を入れることはできない。

範囲が狭すぎると、こういう結論になります。条件の共通部分が空になったら、そこで答えなしと判断します。

の 3 つの解がすべて を満たすような は存在しますか。

  • 存在しない
__RESULT__

いちばん左の解は の部分にあるので、いつでも負です。3 個ある限り、負の解が必ず 1 個は残ります。

数え方も確かめます。

が にちょうど 2 個の解をもつ の範囲はどれですか。

__RESULT__

では 3 個とも範囲に入ります。 が 以下になると、いちばん左の解が より左へ出て 2 個に減る。 では残る 2 個が で重なり、1 個になります。

範囲の端での値を計算する。それを極値と並べて、水平線の高さがどこにあるかで数える。手順は個数を数えるときと同じです。

参考

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.
$x^3 - 3x^2 - 9x = k$ の 3 解がすべて $-2 < x < 5$ に入るのは $-2 < k < 5$ のとき。見るのは極大値、極小値、区間の両端での値の 4 つだけです。解が 3 個ある条件を書き、左端と右端の値で両側から絞って共通部分をとります。右端を $4$ に変えてちょうど 2 個にすると、答えが $-2 < k < 5$ と $-27 < k < -20$ の離れた 2 つの範囲になる。正の解と負の解に分けて数える例、範囲が狭すぎて全部を入れられない例まで扱いました。