スタクラ情報局

NEWS

スタクラ情報局

二次関数の最大値・最小値の求め方を徹底解説!

二次関数の最大値・最小値の求め方

数学 I の山場である二次関数。

特に最大値・最小値の問題は難しいですよね。

というわけで本記事では、二次関数の最大値・最小値の求め方を徹底解説していきます。

学校の授業や定期試験でつまづいてしまった人、試験ではなんとかなったけれど忘れちゃった人…

二次関数をこれから勉強する人・勉強した人、全員必見です!

定義域に制限がないとき

まずは、定義域に全く制限がない二次関数の最大値・最小値を見ていきます。

 

例題:

二次関数  の最大値・最小値を求めよ。

 

解答:

二次関数  のグラフは、 より、軸が直線 x = -1 で頂点が点 (-1, 2) の下に凸の放物線となります。

グラフからわかるように、この関数は x = -1 のときに最小値 2 をとります

また、y はいくらでも大きな値をとるため、最大値は存在しません

 

例題:

二次関数 の最大値・最小値を求めよ。

 

解答:

二次関数  のグラフは、 より、軸が直線 x = 2 で頂点が点 (2,3) の上に凸の放物線となります。

グラフからわかるように、この関数は x = 2 のとき最大値 3 をとります

また、y はいくらでも小さな値をとるため、最小値は存在しません

定義域が限られているとき

次に、定義域が制限されている二次関数の最大値・最小値を調べます。

 

例題:

二次関数  において、定義域が次の場合の最大値と最小値を求めよ。

またそのときの x の値を求めよ。

(1)

(2)

 

解答:

与えられた二次関数は と変形できます。

(1) におけるこの関数のグラフは、下図の放物線の緑線部分です。

よって、

x = 3 のとき最大値 13

x = =1 のとき最小値 -3

となります。

 

(2) におけるこの関数のグラフは、下図の放物線の緑線部分です。

よって、

x = 4 のとき最大値 22

x = 2 のとき最小値 6

となります。

定義域に文字を含む場合の最大値・最小値

これまでは、二次関数・定義域共に文字を含んでいませんでした。

次は定義域に文字を含む場合の最大値・最小値を考えます。

ここから難易度アップ! じっくり読んでいきましょう。

 

例題:

のとき、二次関数   の最小値を求めよ。

 

解答:

のグラフは、頂点が点 (2, 2) 、軸が直線 x = 2 の下に凸の放物線です。

しかし、a の値によって、 の範囲にグラフの頂点が含まれることもあれば、含まれないこともあるのです。

そこで、a の値によって次のように場合分けしてみましょう。

 

(i)  のとき

におけるこの関数のグラフは、下の図の放物線の緑線部分です。

したがって、x = a のとき最小値  となります。

(ii)  のとき

におけるこの関数のグラフは、下の図の放物線の緑線部分です。

したがって、x = 2 のとき最小値 2 となります。

 

以上より、

のとき x = a で最小値

のとき x = 2 で最小値 2

が答えです。

軸に文字を含む場合の最大値・最小値

次は、定義域ではなく関数自体(特に軸)に文字を含む場合について考えます。

 

例題:

のとき、二次関数    の最小値を求めよ。

 

解答:

のグラフは、頂点が点 (a, 2) 、軸が直線 x = a の下に凸の放物線です。

ただし、a の値によって の範囲に頂点が含まれるか否かが変わります。

そこで、ここでも a の値によって次のように場合分けしましょう。

 

(i)  のとき

におけるこの関数のグラフは、下の図の放物線の緑線部分です。

したがって、x = a のとき最小値 2 となります。

(ii)  のとき

におけるこの関数のグラフは、下の図の放物線の緑線部分です。

したがって、x = 2 のとき最小値  となります。

 

以上より、

のとき x = a で最小値 2

のとき x = 2 で最小値

となります。

最大値・最小値の応用問題に挑戦しよう!

ここまで、二次関数の最大値・最小値について扱ってきました。

まとめとして、次の応用問題に挑戦してみましょう!

 

応用問題:

二次関数 における最大値・最小値と、そのときの x の値を求めよ。

 

解答:

この二次関数は

定義域の始点も終点も定まっていませんが、幅が 2 であることだけは確定しています。

これまでの問題と異なり、複雑な場合分けが必要です。

<最大値>

まずは最大値から考えていきましょう。

(i) a+1 < 2 つまり a < 1 のとき

このとき、 におけるこの関数のグラフは、下の図の放物線の緑線部分です。

したがって、x = a で最大値  をとります。

(ii) a+1 = 2 つまり a = 1 のとき

このとき、 におけるこの関数のグラフは、下の図の放物線の緑線部分です。

区間 の中心 x = a + 1 と二次関数のグラフの軸の方程式 x = 2 が一致しているので、区間の両端で y は同じ値となるのです。

したがって、x = 1, 3 で最大値 3 をとります。

(iii) a+1 > 2 つまり a > 1 のとき

このとき、 におけるこの関数のグラフは、下の図の放物線の緑線部分です。

したがって、x = a+2 のとき最大値  をとります。

<最小値>

次に最小値です。

(i) a+2 < 2 つまり a < 0 のとき

このとき、 におけるこの関数のグラフは、下の図の放物線の緑線部分です。

したがって、x = a+2 で最小値  をとります。

(ii) つまり  のとき

このとき、 におけるこの関数のグラフは、下の図の放物線の緑線部分です。

定義域内にグラフの頂点が含まれているので、文句なしでそこが最小点になります。

したがって、x = 2 で最小値 2 をとります。

(iii) 2 < a のとき

このとき、 におけるこの関数のグラフは、下の図の放物線の緑線部分です。

したがって、x = a で最小値  をとります。

 

以上をまとめると、応用問題の答えは次のようになります:

<最大値>

  • a < 1 のとき、x = a で最大値
  • a = 1 のとき、x = 1, 3 で最大値 3
  • a > 1 のとき、x = a+2 で最大値

<最小値>

  • a < 0 のとき、x = a+2 で最小値
  •  のとき、x = 2 で最小値 2
  • a > 2 のとき、x = a で最小値

まとめ

二次関数の最大値・最小値について、様々なパターンを解説してきました。

特に重要なポイントを列挙すると次のようになります。

  • 定義域に制限がなくても、最大値・最小値の双方が存在するとは限らない。
  • 定義域に制限がある場合は、「定義域の端点」「頂点」に着目する。
  • 定義域の端点と軸の距離に注意する。

 

やはりキーワードは「場合分け」でしょう。

なぜ場合分けをしなければいけないのか。

場合分けの境界値はどうなるのか。

これらに注意して、問題を解いてみてください!

関連記事

三角比を用いた計算問題をマスターしよう!

三角比を用いた面積計算をマスターしよう!

センター試験【数学】の問題構成や攻略法を伝授!

 

入塾の流れ flow of admission

STEP1

お問い合わせ

お問い合わせ

まずはお電話かWebにてお問い合わせください。

STEP2

学習相談

学習相談

ご来校いただき、お子さまの学習状況をお聞かせください。

STEP3

体験授業

体験授業

お子さまに体験授業を受けていただきます。

STEP4

報告面談

報告面談

体験授業終了後、体験授業でわかったお子さまの状況をご説明いたします。

STEP5

入会手続き

入会手続き

スタディクラブに通いたいと思われましたら、入塾のお手続きをいたします。

校舎案内 access

スタディクラブ与野校

〒330-0071
埼玉県さいたま市浦和区上木崎2丁目1-1 グレドールデュオ202
(与野駅徒歩2分)

TEL:048-834-2990
(受付時間:火~土曜日 / 13:00~21:30 ※祝日は除く)

スタディクラブは成績の伸びが違います スタディクラブは成績の伸びが違います

スタディクラブは皆さまの勉強の悩みを解決するパートナ-です。
百聞は一見に如かず。
まずはスタディクラブにご来校いただき、皆さまの学習状況をお聞かせください。
一緒に勉強の悩み・不安を解決しましょう!