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増減・極値・最大最小【微分の応用・グラフの描き方】

公開日: 2026/7/11

📐 公式まとめ

  • 1. 関数の増減と導関数の符号

    f(x)>0f(x) は増加f'(x) > 0 \Rightarrow f(x) \text{ は増加}
  • 1. 関数の増減と導関数の符号

    f(x)<0f(x) は減少f'(x) < 0 \Rightarrow f(x) \text{ は減少}
  • 1. 関数の増減と導関数の符号

    f(x)=0接線が水平(増減が変わる可能性)f'(x) = 0 \Rightarrow \text{接線が水平(増減が変わる可能性)}

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)f'(x) の符号が分かると、f(x)f(x) の増減が分かります。

f(x)>0f(x) は増加f'(x) > 0 \Rightarrow f(x) \text{ は増加} f(x)<0f(x) は減少f'(x) < 0 \Rightarrow f(x) \text{ は減少} f(x)=0接線が水平(増減が変わる可能性)f'(x) = 0 \Rightarrow \text{接線が水平(増減が変わる可能性)}

2. 極値とは

x=ax = a の前後で f(x)f'(x) の符号が変わるとき:

  • f(x)f'(x)++ から - に変わる → f(a)f(a)極大値(きょくだいち)
  • f(x)f'(x)- から ++ に変わる → f(a)f(a)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)=0f'(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)=x3f(x) = x^3x=0x = 0)。

3. 増減表の書き方

手順

  1. f(x)f'(x) を計算する。
  2. f(x)=0f'(x) = 0 となる xx の値を求める。
  3. f(x)f'(x) の符号を区間ごとに調べる。
  4. f(x)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)=x33x29x+5f(x) = x^3 - 3x^2 - 9x + 5 の増減表を作り、極値を求めよ。

解答

f(x)=3x26x9=3(x22x3)=3(x+1)(x3)f'(x) = 3x^2 - 6x - 9 = 3(x^2 - 2x - 3) = 3(x + 1)(x - 3) f(x)=0x=1,  3f'(x) = 0 \Rightarrow x = -1, \; 3

増減表:

xx \cdots 1-1 \cdots 33 \cdots
f(x)f'(x) ++ 00 - 00 ++
f(x)f(x) \nearrow 極大 \searrow 極小 \nearrow
f(1)=13+9+5=10(極大値)f(-1) = -1 - 3 + 9 + 5 = 10 \quad \text{(極大値)} f(3)=272727+5=22(極小値)f(3) = 27 - 27 - 27 + 5 = -22 \quad \text{(極小値)} 極大値=10  (x=1),極小値=22  (x=3)\therefore \text{極大値} = 10 \; (x = -1), \quad \text{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:

  1. yy 切片:f(0)f(0) の値
  2. xx 切片:f(x)=0f(x) = 0 の解(因数分解できるとき)
  3. 極値の座標
  4. x±x \to \pm\infty 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)=x33x29x+5f(x) = x^3 - 3x^2 - 9x + 5 のグラフの概形を描け。

ポイント

  • yy 切片:f(0)=5f(0) = 5
  • x+x \to +\infty のとき f(x)+f(x) \to +\inftyxx \to -\infty のとき f(x)f(x) \to -\infty
  • 極大点 (1,10)(-1, 10)、極小点 (3,22)(3, -22)

5. 閉区間での最大値・最小値

閉区間 [a,b][a, b] における最大値・最小値は:

  1. 区間内で f(x)=0f'(x) = 0 となる点の ff の値
  2. 端点 f(a)f(a)f(b)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)=x33x2+2f(x) = x^3 - 3x^2 + 2 について、1x4-1 \leq x \leq 4 での最大値と最小値を求めよ。

解答

f(x)=3x26x=3x(x2)f'(x) = 3x^2 - 6x = 3x(x - 2)

f(x)=0x=0,  2f'(x) = 0 \Rightarrow x = 0, \; 2(どちらも区間内)

各点での ff の値:

xx 1-1 00 22 44
f(x)f(x) 2-2 22 2-2 1818
最大値=18  (x=4),最小値=2  (x=1 または x=2)\text{最大値} = 18 \; (x = 4), \quad \text{最小値} = -2 \; (x = -1 \text{ または } x = 2)

6. 例題4:最適化問題(応用)

底面の半径 rr、高さ hh の円柱の体積が 16π16\pi のとき、表面積を最小にする rrhh を求めよ。

解答

体積条件:πr2h=16πh=16r2\pi r^2 h = 16\pi \Rightarrow h = \dfrac{16}{r^2}

表面積:S=2πr2+2πrh=2πr2+2πr16r2=2πr2+32πrS = 2\pi r^2 + 2\pi rh = 2\pi r^2 + 2\pi r \cdot \dfrac{16}{r^2} = 2\pi r^2 + \dfrac{32\pi}{r}

S(r)=4πr32πr2=4π(r38)r2S'(r) = 4\pi r - \frac{32\pi}{r^2} = \frac{4\pi(r^3 - 8)}{r^2} S(r)=0r3=8r=2S'(r) = 0 \Rightarrow r^3 = 8 \Rightarrow r = 2

r<2r < 2S<0S' < 0r>2r > 2S>0S' > 0 なので r=2r = 2 で極小(かつ最小)。

h=164=4h = \dfrac{16}{4} = 4 r=2,  h=4 のとき表面積最小\therefore r = 2, \; h = 4 \text{ のとき表面積最小}

7. f(a)=0f'(a) = 0 でも極値でない場合

f(x)=x3f(x) = x^3 のとき f(x)=3x2f'(x) = 3x^2f(0)=0f'(0) = 0 ですが:

xx \cdots 00 \cdots
f(x)f'(x) ++ 00 ++
f(x)f(x) \nearrow \nearrow

x=0x = 0 の前後で f(x)f'(x) の符号が変わらないので、x=0x = 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)>0f'(x) > 0 の区間
減少区間 f(x)<0f'(x) < 0 の区間
極大 f(a)=0f'(a) = 0、前後で ++ \to -
極小 f(a)=0f'(a) = 0、前後で +- \to +
閉区間の最大最小 極値と端点の値を比較

9. 関連記事


10. クイズ

問題1f(x)=x33xf(x) = x^3 - 3x の極大値と極小値を求めよ。

答えを見る f(x)=3x23=3(x1)(x+1)f'(x) = 3x^2 - 3 = 3(x-1)(x+1) f(x)=0x=±1f'(x) = 0 \Rightarrow x = \pm 1
  • x=1x = -1f(1)=1+3=2f(-1) = -1 + 3 = 2(極大値)
  • x=1x = 1f(1)=13=2f(1) = 1 - 3 = -2(極小値)

問題2f(x)=x36x2+9x+1f(x) = x^3 - 6x^2 + 9x + 1[0,4][0, 4] で最大値・最小値をとる xx を求めよ。

答えを見る f(x)=3x212x+9=3(x1)(x3)f'(x) = 3x^2 - 12x + 9 = 3(x-1)(x-3) f(x)=0x=1,3f'(x) = 0 \Rightarrow x = 1, 3
xx 00 11 33 44
f(x)f(x) 11 55 11 55

最大値 = 5x=1x = 1 または x=4x = 4)、最小値 = 1x=0x = 0 または x=3x = 3

問題3f(x)=x3+3x2+9x5f(x) = -x^3 + 3x^2 + 9x - 5 の極大値・極小値を求めよ。

答えを見る f(x)=3x2+6x+9=3(x22x3)=3(x3)(x+1)f'(x) = -3x^2 + 6x + 9 = -3(x^2 - 2x - 3) = -3(x-3)(x+1) f(x)=0x=1,3f'(x) = 0 \Rightarrow x = -1, 3
  • x=1x = -1(前後 - から ++):極小値 f(1)=1+395=10f(-1) = 1 + 3 - 9 - 5 = -10
  • x=3x = 3(前後 ++ から -):極大値 f(3)=27+27+275=22f(3) = -27 + 27 + 27 - 5 = 22
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