二次関数の最大・最小

この授業の要点

軸の位置と定義域の関係で決まる。まず平方完成して軸を求めるのが出発点。

考え方

二次関数の最大・最小は、軸の位置と定義域の関係だけで決まる。したがって、まず平方完成して軸を求めることが出発点になる。

定理(定義域に制限がない場合)

$y=a(x-p)^{2}+q$ について、

  • $a>0$ のとき、$x=p$ で最小値 $q$ をとり、最大値はない。
  • $a<0$ のとき、$x=p$ で最大値 $q$ をとり、最小値はない。

証明

$a>0$ とする。すべての実数 $x$ に対して $(x-p)^{2}\geq 0$ であり、$a>0$ であるから $a(x-p)^{2}\geq 0$。したがって $y\geq q$ であり、等号が成り立つのは $x=p$ のときに限る。よって $x=p$ で最小値 $q$ をとる。また $(x-p)^{2}$ はいくらでも大きくなるから、最大値は存在しない。$a<0$ の場合も同様である。

定義域に制限がある場合

区間 $\alpha\leq x\leq\beta$ での最大・最小は、軸 $x=p$ がこの区間のどこにあるかで場合分けして決める。$a>0$ のときは次のようになる。

  • 軸が区間の内部にある($\alpha\leq p\leq\beta$):頂点で最小。
  • 軸が区間の左外にある($p<\alpha$):区間内で単調増加。$x=\alpha$ で最小。
  • 軸が区間の右外にある($p>\beta$):区間内で単調減少。$x=\beta$ で最小。

つまり「頂点の値をそのまま答える」ことができるのは、軸が定義域に含まれているときに限る。ここを確認せずに頂点の値を書くのが、最も多い誤りである。

想起チェック

まず答えを見ずに、思い出してみてください。

Q1二次関数の最大・最小を考えるとき、最初に調べるべきことは何か。

答えを見る
平方完成して軸(と頂点)を求め、定義域との位置関係を調べること。

Q2$a>0$ で定義域に制限がないとき、$y=a(x-p)^{2}+q$ の最小値とそのときの $x$ を答えよ。

答えを見る
$x=p$ のとき最小値 $q$。最大値は存在しない。

Q3定義域が $\alpha\leq x\leq\beta$ のとき、頂点の $y$ 座標をそのまま最小値としてよいのはどんな場合か。

答えを見る
軸 $x=p$ が $\alpha\leq p\leq\beta$ を満たす、つまり軸が定義域に含まれる場合。

復習の記録

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