定義域に文字を含む2次関数の最小値

★★★モデル問題(自作)

$a$ を実数の定数とする。$0\leq x\leq 1$ における関数

$$f(x)=x^{2}-2ax+3$$

の最小値を $m(a)$ とする。$m(a)$ を求めよ。

何を求めよと指示されているか

「最小値 $m(a)$ を求めよ」=定義域 $0\leq x\leq 1$ の中で $f(x)$ が最も小さくなる値を、$a$ の値ごとに場合分けして $a$ の式で表せ、という要求。

思考カード

問題の指示から逆算する順に並べ替えてください。ドラッグ、または ↑ ↓ で動かせます。

  • 何を求めよと指示されているかを確認する。$0\leq x\leq 1$ における最小値を、$a$ の式で表すことが要求されている。逆算の出発点。ここを飛ばすと場合分けの必要性に気づけない。
  • 最小値がどこでとられるかは、軸と定義域の位置関係で決まると判断する。「頂点=最小」と即断しないための一手。
  • $f(x)$ を平方完成し、軸 $x=a$ と頂点 $(a,\ 3-a^{2})$ を求める。軸を求めるために平方完成する。
  • 軸 $x=a$ が定義域の左外・内部・右外のどこにあるかで場合分けする。場合分けの基準は軸の位置。
  • 各場合で最小となる $x$ を決め、$m(a)$ を計算してまとめる。最後に $a$ の式として答えをまとめる。
  • 判別式 $D/4=a^{2}-3$ を計算して、実数解の個数を調べる。解の個数ではなく最小値を問われているので、この問題では使いません。

使わないカード

    解説を見る

    平方完成すると $$f(x)=(x-a)^{2}+3-a^{2}$$ となる。よってグラフは下に凸の放物線で、軸は $x=a$、頂点は $(a,\ 3-a^{2})$ である。定義域 $0\leq x\leq 1$ に対して、軸 $x=a$ の位置で場合分けする。

    (i) $a<0$ のとき(軸が定義域の左外)
    区間内で単調増加だから、$x=0$ で最小。$m(a)=f(0)=3$。

    (ii) $0\leq a\leq 1$ のとき(軸が定義域の内部)
    頂点で最小。$m(a)=3-a^{2}$。

    (iii) $a>1$ のとき(軸が定義域の右外)
    区間内で単調減少だから、$x=1$ で最小。$m(a)=f(1)=1-2a+3=4-2a$。

    以上より $$m(a)=\begin{cases}3 & (a1)\end{cases}$$

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