§B2.5多項式の微分と接線・増減・極値

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多項式の微分係数と導関数を定義し、接線を求めます。導関数の符号から増減表を作り、極値を判定します。

定義 1 (微分係数と導関数). 関数ffの定義域の内部の点aaに対して、極限

lim⁡h→0f(a+h)−f(a)h\lim_{h\to0}\frac{f(a+h)-f(a)}h

が存在するとき、ffはaaで微分可能であるといい、その極限をaaにおける微分係数と呼んでf′(a)f'(a)と書く。ffが定義域の内部の各点で微分可能であるとき、各点aaにf′(a)f'(a)を対応させる関数をffの導関数という。

公式 2.ffが定義域の内部の点aaで微分可能であるとする。点(a,f(a))(a,f(a))と(a+h,f(a+h))(a+h,f(a+h))を通る割線の傾きは

f(a+h)−f(a)h\frac{f(a+h)-f(a)}{h}

であり、h→0h\to0のときf′(a)f'(a)に近づく。したがって、点(a,f(a))(a,f(a))における接線は

y=f(a)+f′(a)(x−a)y=f(a)+f'(a)(x-a)

と表される。

公式 3 (多項式の微分).nnを正の整数とすると、(xn)′=nxn−1(x^n)'=nx^{n-1}である。また、定数cc、実数λ\lambda、微分可能な関数f,gf,gに対して

c′=0,(λf)′=λf′,(f+g)′=f′+g′c'=0,\qquad (\lambda f)'=\lambda f',\qquad (f+g)'=f'+g'

が成り立つ。したがって、多項式は各項を微分して足し合わせることができる。

証明. 正の整数nn、実数aa、およびh≠0h\ne0をとる。二項展開により

(a+h)n−anh=nan−1+∑k=2n(nk)an−khk−1\frac{(a+h)^n-a^n}{h} =na^{n-1}+\sum_{k=2}^{n}\binom{n}{k}a^{n-k}h^{k-1}

である。n=1n=1のとき右辺の和は空である。h→0h\to0とすると、和の各項は00に近づくので、(xn)′=nxn−1(x^n)'=nx^{n-1}を得る。定数関数の差商は00である。また、ffとggがaaで微分可能ならば、

λf(a+h)−λf(a)h=λf(a+h)−f(a)h,\frac{\lambda f(a+h)-\lambda f(a)}h =\lambda\frac{f(a+h)-f(a)}h,(f+g)(a+h)−(f+g)(a)h=f(a+h)−f(a)h+g(a+h)−g(a)h\frac{(f+g)(a+h)-(f+g)(a)}h =\frac{f(a+h)-f(a)}h+\frac{g(a+h)-g(a)}h

である。極限の定数倍と和の規則により、(λf)′(a)=λf′(a)(\lambda f)'(a)=\lambda f'(a)および(f+g)′(a)=f′(a)+g′(a)(f+g)'(a)=f'(a)+g'(a)が成り立つ。したがって、任意の多項式の導関数は各項の導関数の和として得られる。▨

定理 4 (内部極値における導関数の必要条件). 関数ffが定義域の内部の点aaで微分可能であり、aaで局所的な極大値または極小値をとるならば、f′(a)=0f'(a)=0である。

証明.aaが局所的な極小点であるとする。十分小さい正のhhに対してf(a+h)−f(a)≥0f(a+h)-f(a)\ge0であるから、

f(a+h)−f(a)h≥0\frac{f(a+h)-f(a)}h\ge0

である。十分小さい負のhhに対しても分子は00以上であるが分母は負であるから、

f(a+h)−f(a)h≤0\frac{f(a+h)-f(a)}h\le0

である。ffはaaで微分可能であるため、右差商と左差商は共通の値f′(a)f'(a)に近づく。したがってf′(a)≥0f'(a)\ge0かつf′(a)≤0f'(a)\le0であり、f′(a)=0f'(a)=0である。aaが局所的な極大点である場合には二つの不等号が反転し、同じ結論を得る。▨

この定理の逆は成り立ちません。また、微分可能でない点には定理を適用できません。

例 5 (二つの反例).f(x)=x3f(x)=x^3ではf′(0)=0f'(0)=0であるが、x<0x<0でf(x)<0f(x)<0、x>0x>0でf(x)>0f(x)>0であるから、x=0x=0は極値をとる点ではない。

g(x)=∣x∣g(x)=|x|はx=0x=0で極小値をとるが、00における差商はh>0h>0で11、h<0h<0で−1-1となるため、微分係数が存在しない。したがってg′(0)=0g'(0)=0と書くことはできない。

定理 6 (導関数の符号と増減). 開区間II上で微分可能な関数ffについて、f′(x)>0f'(x)>0がすべてのx∈Ix\in Iで成り立つならば、ffはII上で狭義単調増加である。f′(x)<0f'(x)<0ならば狭義単調減少である。

注意 7 (増減判定の根拠).定理 6は平均値の定理から従う。本記事ではこの結論を用い、平均値の定理の証明は ε-論法と基礎解析 が扱う。

例 8 (増減表から極値を求める).f(x)=x3−3xf(x)=x^3-3xとする。f′(x)=3(x−1)(x+1)f'(x)=3(x-1)(x+1)である。臨界点、導関数の符号、増減、関数値を一つの増減表にまとめる。

xx (−∞,−1)(-\infty,-1) −1-1 (−1,1)(-1,1) 11 (1,∞)(1,\infty)
f′(x)f'(x) ++ 00 −- 00 ++
f(x)f(x) 増加 22 減少 −2-2 増加

−2<x<0-2<x<0ではx−2<0x-2<0であるから、f(x)−2=(x−2)(x+1)2≤0f(x)-2=(x-2)(x+1)^2\le0である。したがってx=−1x=-1は局所的な極大点である。0<x<20<x<2ではx+2>0x+2>0であるから、f(x)+2=(x+2)(x−1)2≥0f(x)+2=(x+2)(x-1)^2\ge0である。したがってx=1x=1は局所的な極小点である。よって、極大値はf(−1)=2f(-1)=2、極小値はf(1)=−2f(1)=-2である。

1 演習

  1. f(x)=x3−3xf(x)=x^3-3xの増減表を作り、極値を求めなさい。
  2. f′(a)=0f'(a)=0が極値の十分条件でないことを、x3x^3を用いて説明しなさい。
  3. ∣x∣|x|が00で極小値をとるのに、そこで微分可能でないことを差の商で示しなさい。
  4. h(x)=x3−12xh(x)=x^3-12xの増減表を作り、極値を求め、グラフの概形を描きなさい。
解答 (演習の解答).
  1. f′(x)=3x2−3=3(x−1)(x+1)f'(x)=3x^2-3=3(x-1)(x+1)である。導関数はx<−1x<-1とx>1x>1で正、−1<x<1-1<x<1で負である。したがって、ffは(−∞,−1)(-\infty,-1)で増加し、(−1,1)(-1,1)で減少し、(1,∞)(1,\infty)で増加する。f(−1)=2f(-1)=2、f(1)=−2f(1)=-2であるから、極大値は22、極小値は−2-2である。
  2. f(x)=x3f(x)=x^3とするとf′(0)=0f'(0)=0である。一方、x<0x<0ならばf(x)<0=f(0)f(x)<0=f(0)であり、x>0x>0ならばf(x)>0=f(0)f(x)>0=f(0)である。したがって、x=0x=0は極大点でも極小点でもない。
  3. g(x)=∣x∣g(x)=|x|はすべての実数xxに対してg(x)≥0=g(0)g(x)\ge0=g(0)を満たすので、x=0x=0で極小値をとる。00における差商は
g(h)−g(0)h=∣h∣h\frac{g(h)-g(0)}h=\frac{|h|}h

であり、h>0h>0では11、h<0h<0では−1-1である。右からの極限と左からの極限が異なるため、ggは00で微分可能でない。 4.h′(x)=3x2−12=3(x−2)(x+2)h'(x)=3x^2-12=3(x-2)(x+2)である。したがって導関数はx<−2x<-2とx>2x>2で正、−2<x<2-2<x<2で負である。よって増減表は

xx (−∞,−2)(-\infty,-2) −2-2 (−2,2)(-2,2) 22 (2,∞)(2,\infty)
h′(x)h'(x) ++ 00 −- 00 ++
h(x)h(x) 増加 1616 減少 −16-16 増加

となる。h(−2)=16h(-2)=16、h(2)=−16h(2)=-16であるから、極大値は1616、極小値は−16-16である。グラフは左下から増加して(−2,16)(-2,16)で折り返し、(2,−16)(2,-16)まで減少した後、右上へ増加する概形である。▨

例題

条件と何を求めるかを確認してから、式と答えの対応を見比べてください。

次の関数を微分せよ。

  1. 例題 1

    f(x)=4x4+6x3−x+3f(x) = 4x^{4}+6x^{3}-x+3
  2. 例題 2

    f(x)=4x4+5x3−4x2−3x+2f(x) = 4x^{4}+5x^{3}-4x^{2}-3x+2
  3. 例題 3

    f(x)=2x2f(x) = 2x^{2}
  4. 例題 4

    f(x)=x2−5x−2f(x) = x^{2}-5x-2
  5. 例題 5

    f(x)=2x3−4x2+2x+3f(x) = 2x^{3}-4x^{2}+2x+3
  6. 例題 6

    f(x)=3x3−x2−xf(x) = 3x^{3}-x^{2}-x
  7. 例題 7

    f(x)=−2x3−4x2+3x−6f(x) = -2x^{3}-4x^{2}+3x-6
  8. 例題 8

    f(x)=−x4−6x−4f(x) = -x^{4}-6x-4
  9. 例題 9

    f(x)=3x4−2x3−3x2−x+6f(x) = 3x^{4}-2x^{3}-3x^{2}-x+6
  10. 例題 10

    f(x)=2x4+6x3−4x2f(x) = 2x^{4}+6x^{3}-4x^{2}

演習

問題を解いてから「解答・解説」を開けます。

次の関数を微分せよ。

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