増減・極値・最大最小【微分の応用・グラフの描き方】
微分の最も重要な応用は、関数のグラフの形を正確に調べることです。増減表を使って極値・最大値・最小値を体系的に求める方法をマスターしましょう。
1. 関数の増減と導関数の符号
f′(x) の符号が分かると、f(x) の増減が分かります。
f′(x)>0⇒f(x) は増加
f′(x)<0⇒f(x) は減少
f′(x)=0⇒接線が水平(増減が変わる可能性)
2. 極値とは
x=a の前後で f′(x) の符号が変わるとき:
- f′(x) が + から − に変わる → f(a) は極大値(きょくだいち)
- f′(x) が − から + に変わる → f(a) は極小値(きょくしょうち)
極大値・極小値を合わせて極値(きょくち)と言います。
注意:f′(a)=0 でも符号が変わらなければ極値ではありません(例:f(x)=x3 の x=0)。
3. 増減表の書き方
手順
- f′(x) を計算する。
- f′(x)=0 となる x の値を求める。
- f′(x) の符号を区間ごとに調べる。
- f(x) の増減を表にまとめる。
3.1. 例題1:三次関数の増減と極値
f(x)=x3−3x2−9x+5 の増減表を作り、極値を求めよ。
解答
f′(x)=3x2−6x−9=3(x2−2x−3)=3(x+1)(x−3)
f′(x)=0⇒x=−1,3
増減表:
| x |
⋯ |
−1 |
⋯ |
3 |
⋯ |
| f′(x) |
+ |
0 |
− |
0 |
+ |
| f(x) |
↗ |
極大 |
↘ |
極小 |
↗ |
f(−1)=−1−3+9+5=10(極大値)
f(3)=27−27−27+5=−22(極小値)
∴極大値=10(x=−1),極小値=−22(x=3)
4. グラフの描き方
増減表をもとに、以下の情報を使ってグラフを描きます:
- y 切片:f(0) の値
- x 切片:f(x)=0 の解(因数分解できるとき)
- 極値の座標
- x→±∞ の挙動(最高次の係数の符号)
4.1. 例題2:グラフの概形
例題1 の f(x)=x3−3x2−9x+5 のグラフの概形を描け。
ポイント
- y 切片:f(0)=5
- x→+∞ のとき f(x)→+∞、x→−∞ のとき f(x)→−∞
- 極大点 (−1,10)、極小点 (3,−22)
5. 閉区間での最大値・最小値
閉区間 [a,b] における最大値・最小値は:
- 区間内で f′(x)=0 となる点の f の値
- 端点 f(a)、f(b) の値
これらをすべて比較して最大・最小を選びます。
5.1. 例題3:閉区間での最大最小
f(x)=x3−3x2+2 について、−1≤x≤4 での最大値と最小値を求めよ。
解答
f′(x)=3x2−6x=3x(x−2)
f′(x)=0⇒x=0,2(どちらも区間内)
各点での f の値:
| x |
−1 |
0 |
2 |
4 |
| f(x) |
−2 |
2 |
−2 |
18 |
最大値=18(x=4),最小値=−2(x=−1 または x=2)
6. 例題4:最適化問題(応用)
底面の半径 r、高さ h の円柱の体積が 16π のとき、表面積を最小にする r と h を求めよ。
解答
体積条件:πr2h=16π⇒h=r216
表面積:S=2πr2+2πrh=2πr2+2πr⋅r216=2πr2+r32π
S′(r)=4πr−r232π=r24π(r3−8)
S′(r)=0⇒r3=8⇒r=2
r<2 で S′<0、r>2 で S′>0 なので r=2 で極小(かつ最小)。
h=416=4
∴r=2,h=4 のとき表面積最小
7. f′(a)=0 でも極値でない場合
f(x)=x3 のとき f′(x)=3x2、f′(0)=0 ですが:
| x |
⋯ |
0 |
⋯ |
| f′(x) |
+ |
0 |
+ |
| f(x) |
↗ |
|
↗ |
x=0 の前後で f′(x) の符号が変わらないので、x=0 は極値ではありません(変曲点)。
8. まとめ
| 項目 |
判定方法 |
| 増加区間 |
f′(x)>0 の区間 |
| 減少区間 |
f′(x)<0 の区間 |
| 極大 |
f′(a)=0、前後で +→− |
| 極小 |
f′(a)=0、前後で −→+ |
| 閉区間の最大最小 |
極値と端点の値を比較 |
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10. クイズ
問題1:f(x)=x3−3x の極大値と極小値を求めよ。
答えを見る
f′(x)=3x2−3=3(x−1)(x+1)
f′(x)=0⇒x=±1
- x=−1:f(−1)=−1+3=2(極大値)
- x=1:f(1)=1−3=−2(極小値)
問題2:f(x)=x3−6x2+9x+1 が [0,4] で最大値・最小値をとる x を求めよ。
答えを見る
f′(x)=3x2−12x+9=3(x−1)(x−3)
f′(x)=0⇒x=1,3
| x |
0 |
1 |
3 |
4 |
| f(x) |
1 |
5 |
1 |
5 |
最大値 = 5(x=1 または x=4)、最小値 = 1(x=0 または x=3)
問題3:f(x)=−x3+3x2+9x−5 の極大値・極小値を求めよ。
答えを見る
f′(x)=−3x2+6x+9=−3(x2−2x−3)=−3(x−3)(x+1)
f′(x)=0⇒x=−1,3
- x=−1(前後 − から +):極小値 f(−1)=1+3−9−5=−10
- x=3(前後 + から −):極大値 f(3)=−27+27+27−5=22