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数学I

関数かんすう応用おうよう

最終確認日:

このしょうまなぶこと

だい 4 しょうまなんだグラフの知識ちしき使つかって、 「あたえられた区間くかんでの 最大値さいだいち最小値さいしょうち」 と 「二次方程式にじほうていしきかいがどこにあるか」 を解析かいせきします。 大学だいがく入試にゅうしもっともよくるテーマのひとつ。

  • 区間くかん固定こてい最大さいだい最小さいしょう
  • 区間くかんうごく / じくうご最大さいだい最小さいしょう
  • 解の分布かいのぶんぷと 3 条件じょうけん (判別はんべつしきじく端点たんてん)
  • 二次関数にじかんすう文章ぶんしょうだい (面積めんせき距離きょりとう)

ポイント:じく区間くかんうちそとか、 うちならどのはじたかいか」 をえがいてかなら確認かくにんします。 暗算あんざんではかならけがます。

1. 区間くかんない最大さいだい最小さいしょう (基本きほん)

区間くかんぜん実数じっすう場合ばあい

y=a(xp)2+qy = a(x - p)^2 + q (a>0a > 0) はすべての実数じっすううごくと頂点ちょうてん (p,q)(p, q)最小値さいしょうちqq最大値さいだいちなし (かぎりなくおおきくなる)。

a<0a < 0 なら頂点ちょうてん最大値さいだいちqq最小値さいしょうちはなし。

区間くかん[α,β][\alpha, \beta]場合ばあい

条件じょうけん最小値さいしょうち (とつ)最大値さいだいち (とつ)
じく区間くかんない (αpβ\alpha \leq p \leq \beta)f(p)=qf(p) = qf(α)f(\alpha)f(β)f(\beta)おおきいかた
じく区間くかんひだり (p<αp < \alpha)f(α)f(\alpha)f(β)f(\beta)
じく区間くかんみぎ (p>βp > \beta)f(β)f(\beta)f(α)f(\alpha)

例題れいだい

f(x)=x24x+5f(x) = x^2 - 4x + 50x30 \leq x \leq 3 における最大値さいだいち最小値さいしょうちもとめよ。

平方完成へいほうかんせい: f(x)=(x2)2+1f(x) = (x - 2)^2 + 1頂点ちょうてん(2,1)(2, 1)

x=2x = 2区間くかん[0,3][0, 3]内部ないぶしたとつなので

  • 最小値さいしょうち: f(2)=1f(2) = 1
  • 最大値さいだいち: f(0)=5f(0) = 5f(3)=2f(3) = 2おおきいかたf(0)=5f(0) = 5
xx002233
f(x)f(x)551122

よって最大値さいだいち55 (x=0x = 0)、 最小値さいしょうち11 (x=2x = 2)。

大事だいじ: かならず 「じく両端りょうたん頂点ちょうてんffあたい」 をひょうならべる。 えがいて確認かくにんするとさらに確実かくじつ

2. じくうご場合ばあい最大さいだい最小さいしょう

文字もじふく関数かんすうで、 区間くかん固定こていだが じく文字もじうご ケース。 場合分けばあいわけ必要ひつようです。

例題れいだい

f(x)=x22ax+3f(x) = x^2 - 2ax + 30x20 \leq x \leq 2 における最小値さいしょうちaaあらわせ。

平方完成へいほうかんせい: f(x)=(xa)2+3a2f(x) = (x - a)^2 + 3 - a^2。 軸x=ax = a

aa範囲はんいじく位置いち最小値さいしょうち
a<0a < 0区間くかんひだりf(0)=3f(0) = 3
0a20 \leq a \leq 2区間くかんうちf(a)=3a2f(a) = 3 - a^2
a>2a > 2区間くかんみぎf(2)=44a+3=74af(2) = 4 - 4a + 3 = 7 - 4a

例題れいだい (つづき)

どう設定せってい最大値さいだいちもとめよ。

したとつなので端点たんてんる。 じく区間くかん中央ちゅうおうx=1x = 1 より ひだりみぎ場合ばあいけ。

aa範囲はんいじく中央ちゅうおう位置いち関係かんけい最大値さいだいち
a<1a < 1じく中央ちゅうおうよりひだりf(2)=74af(2) = 7 - 4a (x=2x = 2)
a=1a = 1じく中央ちゅうおうf(0)=f(2)=3f(0) = f(2) = 3
a>1a > 1じく中央ちゅうおうよりみぎf(0)=3f(0) = 3 (x=0x = 0)

ポイント: じくうご問題もんだいは 「じく区間くかんはじじく区間くかん中央ちゅうおう」 の比較ひかく場合ばあいけ。 最小さいしょうはじ頂点ちょうてん最大さいだいはじで 「じくからとおほう」。

3. 区間くかんうご場合ばあい

じく固定こてい区間くかん[t,t+1][t, t+1] のようにうごくケースも出題しゅつだいされます。

れい: f(x)=(x1)2+2f(x) = (x - 1)^2 + 2txt+1t \leq x \leq t + 1 における最小値さいしょうち

tt範囲はんいじく区間くかん最小値さいしょうち
t+1<1t + 1 < 1 (t<0t < 0)区間くかんじくよりひだりf(t+1)=(t)2+2=t2+2f(t+1) = (t)^2 + 2 = t^2 + 2
t1t+1t \leq 1 \leq t + 1 (0t10 \leq t \leq 1)じくふくf(1)=2f(1) = 2
t>1t > 1区間くかんじくよりみぎf(t)=(t1)2+2f(t) = (t-1)^2 + 2

大事だいじ: うご区間くかんでは 区間くかんじくふく条件じょうけん」 をまず不等式ふとうしき。 ここを起点きてん場合ばあいけ。

4. かい分布ぶんぷ

二次方程式にじほうていしき f(x)=ax2+bx+c=0f(x) = ax^2 + bx + c = 0実数じっすうかいどの範囲はんいにあるか調しらべる問題もんだい大学だいがく入試にゅうし

3 つの武器ぶき

武器ぶき役割やくわり
判別式はんべつしき DD実数じっすうかいなん
じく x=b2ax = -\frac{b}{2a}位置いちかい区間くかん内側うちがわ
端点たんてんでの ffあたいかい端点たんてんをまたぐか

例題れいだい: ことなる 2 つのかいがともにせい

x22(a+1)x+a2+3=0x^2 - 2(a + 1)x + a^2 + 3 = 0ことなる 2 つのせい実数じっすうかい条件じょうけんもとめよ。

x2x^2係数けいすうせいなのでグラフはしたとつ条件じょうけん:

(1) D>0D > 0: 4(a+1)24(a2+3)>08a8>0a>14(a+1)^2 - 4(a^2 + 3) > 0 \Rightarrow 8a - 8 > 0 \Rightarrow a > 1

(2) じくせい: x=a+1>0a>1x = a + 1 > 0 \Rightarrow a > -1

(3) f(0)>0f(0) > 0: a2+3>0a^2 + 3 > 0 (つね成立せいりつ)

3 つの共通きょうつう: a>1a > 1

例題れいだい: 1 つのかい区間くかんない、 もう 1 つが区間くかんがい

f(α)f(β)<0f(\alpha) f(\beta) < 0 で 「ff区間くかんはじ符号ふごうことなる」 とえる。 すなわち α<x<β\alpha < x < \beta に 1 つのかいはいる。

れい: x22ax+3=0x^2 - 2ax + 3 = 00<x<20 < x < 2 にちょうど 1 つのかい条件じょうけんもとめよ。

f(0)f(2)<0f(0) f(2) < 0 3(44a+3)<03 \cdot (4 - 4a + 3) < 0 74a<07 - 4a < 0 a>74a > \frac{7}{4}

ポイント:かいはじふく区間くかんないはい場合ばあいはじでの符号ふごう (せい) を個別こべつ確認かくにんする必要ひつようがあります。 機械きかいてきf(α)f(β)<0f(\alpha) f(\beta) < 0使つかえるのは 「両端りょうたんふくまない」 ときだけ。

5. 文章ぶんしょうだい

面積めんせき最大さいだい

れい: しゅうながさが 2020 cm の長方形ちょうほうけい面積めんせき最大さいだいにせよ。

たてxx cm とするとよこ10x10 - x cm。 面積めんせき:

S=x(10x)=x2+10x=(x5)2+25S = x(10 - x) = -x^2 + 10x = -(x - 5)^2 + 25

0<x<100 < x < 10頂点ちょうてん(5,25)(5, 25)内部ないぶにあるので

最大値さいだいちS=25S = 25 cm² (x=5x = 5, つまり正方形せいほうけい)。

距離きょり最短さいたん

れい: 直線ちょくせんy=2x+1y = 2x + 1上をうごく点P(x,2x+1)P(x, 2x+1)原点げんてんOO距離きょり最小さいしょうとなるてんもとめよ。

OP2=x2+(2x+1)2=5x2+4x+1=5(x+25)2+15OP^2 = x^2 + (2x+1)^2 = 5x^2 + 4x + 1 = 5\left(x + \frac{2}{5}\right)^2 + \frac{1}{5}

最小値さいしょうち15\frac{1}{5} (x=25x = -\frac{2}{5})、 距離きょり15=55\frac{1}{\sqrt{5}} = \frac{\sqrt{5}}{5}

大事だいじ: 文章ぶんしょうだいでは 変数へんすう自分じぶん設定せっていする」 ことが第一歩だいいっぽなにxxるかでしき複雑ふくざつさがおおきくわります。

6. 平方へいほうあらわすことができるか

関数かんすう最大さいだい最小さいしょう結局けっきょく 平方へいほう (0\geq 0)」 を使つか計算けいさん帰着きちゃくします。

a20,(等号 は a=0 の とき)a^2 \geq 0, \quad (\text{等号 は } a = 0 \text{ の とき})

例: f(a,b)=a2+b24a+6b+13f(a, b) = a^2 + b^2 - 4a + 6b + 13最小値さいしょうちもとめよ。

f=(a24a+4)+(b2+6b+9)=(a2)2+(b+3)2f = (a^2 - 4a + 4) + (b^2 + 6b + 9) = (a - 2)^2 + (b + 3)^2

(a2)20(a - 2)^2 \geq 0 かつ (b+3)20(b + 3)^2 \geq 0 より最小値さいしょうち00 (a=2,b=3a = 2, b = -3)。

ポイント: 2 変数へんすうしきでも、 かく変数へんすうごとに平方完成へいほうかんせいすれば最小さいしょう最大さいだい一気いっきます。

まとめ

  • 区間くかんない最大さいだい最小さいしょうじく両端りょうたん頂点ちょうてんffあたい比較ひかく
  • じくうご場合ばあいじく区間くかんはじ / 中央ちゅうおう位置いち関係かんけい場合ばあい
  • かい分布ぶんぷ判別はんべつしき / じく / 端点たんてん符号ふごう の 3 武器ぶき
  • 文章ぶんしょうだい変数へんすう設定せってい範囲はんい設定せってい第一歩だいいっぽ

しょうからは 三角比さんかくひはいり、 直角ちょっかく三角形さんかくけいsinθ,cosθ,tanθ\sin\theta, \cos\theta, \tan\theta関係かんけいまなびます。

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