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二次関数の最大・最小

頂点と定義域に注目して、二次関数の最大値・最小値を求めます。

この教材でできるようになること

  • 定義域が実数全体のとき、頂点から最大値・最小値の有無を判断できる

  • 定義域があるとき、頂点と端点の値を比較して最大値・最小値を求められる

  • 頂点が定義域の内側か外側かを見分け、調べるべき点を選べる

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定義域が実数全体なら、頂点で一方だけ決まる

平方完成した形 y=a(x−p)2+qy=a(x-p)^2+q では、頂点は (p,q)(p,q) です。定義域が実数全体のとき、a>0a>0(下に凸)なら頂点で最小値をとり、最大値はありません。a<0a<0(上に凸)なら頂点で最大値をとり、最小値はありません。

グラフを読み込み中…

下に凸の放物線は頂点で最小値、上に凸の放物線は頂点で最大値をとる。反対側の値は限りなく大きく、または小さくなるため存在しない。

2

定義域があるときは、頂点と端点を比べる

区間 l≤x≤rl\le x\le r が指定されたら、次の順番で調べます。

  1. 頂点の x=px=p が区間の内側にあるか確認する
  2. 内側なら、頂点の値と両端点の値を計算する
  3. 計算した値を比べて、最大値と最小値を決める

例えば f(x)=(x−1)2−2f(x)=(x-1)^2-2、0≤x≤40\le x\le4 なら、頂点 x=1x=1 は区間内です。f(1)=−2f(1)=-2、f(0)=−1f(0)=-1、f(4)=7f(4)=7 を比べると、最小値は −2-2、最大値は 77 です。

グラフを読み込み中…

区間0≦x≦4を薄く示した下に凸の放物線。頂点(1,-2)と両端点(0,-1),(4,7)を比べ、最小値-2、最大値7を決める。

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頂点が定義域の外側なら、端点同士を比べる

頂点の x=px=p が区間の外側にあるとき、頂点の値は候補に入れません。区間内でのグラフの変化を確認し、両端点の値を比べます。

例えば g(x)=−(x−2)2+3g(x)=-(x-2)^2+3、−1≤x≤1-1\le x\le1 では、頂点の x=2x=2 は区間の右側です。区間内では右へ進むほど値が大きくなるため、g(−1)=−6g(-1)=-6 と g(1)=2g(1)=2 を比べます。最大値は 22、最小値は −6-6 です。

グラフを読み込み中…

頂点(2,3)が定義域-1≦x≦1の外側にある上に凸の放物線。定義域内の両端点で最小値-6と最大値2を比較する。

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例題:候補を絞ってから比べる

  1. 1

    h(x)=2(x+1)2−5h(x)=2(x+1)^2-5、−3≤x≤2-3\le x\le2 とします。頂点は (−1,−5)(-1,-5) で、x=−1x=-1 は区間内です。

    h(x)=2(x+1)2−5,−3≤x≤2h(x)=2(x+1)^2-5,\quad -3\le x\le2

  2. 2

    頂点と端点で値を計算します。h(−1)=−5h(-1)=-5、h(−3)=3h(-3)=3、h(2)=13h(2)=13 です。

    h(−1)=−5,h(−3)=3,h(2)=13h(-1)=-5,\quad h(-3)=3,\quad h(2)=13

  3. 3

    3つの値を比べると、最小値は −5-5、最大値は 1313 です。頂点が内側にある場合でも、最大値は端点にあることがあります。

    min⁡h(x)=−5,max⁡h(x)=13\min h(x)=-5,\quad \max h(x)=13

5

式と定義域から最大・最小を求める

h(x)=(x−2)2−3h(x)=(x-2)^2-3 を 0≤x≤50\le x\le5 で考えます。最大値と最小値を入力しましょう。

h(x)=(x−2)2−3(0≤x≤5)h(x)=(x-2)^2-3\quad(0\le x\le5)

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条件を1つ変えて、前の候補を再利用する

前問の h(x)=(x−2)2−3h(x)=(x-2)^2-3 で、定義域の右端だけを 55 から 44 に変えます。頂点での最小値 −3-3 と左端の値 h(0)=1h(0)=1 を再利用し、新しい最大値を求めてください。

0≤x≤4,h(0)=1, h(4)=10\le x\le4,\qquad h(0)=1,\ h(4)=1

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最大・最小のまとめ

  • まず平方完成して頂点 (p,q) と a の符号を確認する

  • 定義域が実数全体なら、下に凸なら最小値、上に凸なら最大値だけがある

  • 定義域があるなら、頂点が内側か確認し、候補と端点を比べる

  • 頂点が外側なら、頂点は候補にせず、定義域の端点を比べる

仕上げ

確認問題

確認問題に合格するとこの単元を完了します。

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