R1 1 Math I 1

カテゴリ: Mathematics

公開日: 2023-06-12 by Yu

R1 1 Math I 1

グラフが図のようになる2次関数
y=ax2+bx+cy=ax^2+bx+c
を考える。

graph

このとき、a,b,ca,b,cは次の式を満たす。

a<0b>0c>0\begin{align*} a < 0 \\ b > 0 \\ c > 0 \end{align*}

aaは上に凸だからa<0a<0となる。

bbはy=ax2+bx+cy=ax^2+bx+cを平方完成した後の式と頂点座標は、

y=a(x+b2a)2+−b2+4ac4ay=a(x+{b\over2a})^2+{-b^2+4ac\over4a}

(x,y)=(−b2a,−b2+4ac4a)(x,y)=({-b\over2a},{-b^2+4ac\over4a})

となる。
だから図のグラフの軸はx=−b2ax={-b\over2a}であり、図のグラフよりx=0x=0、Y軸線よりも右側にあることが分かる。つまり、

x=−b2a>0−b2a>0b>0\begin{align*} x={-b\over2a}>0 \\ {-b\over2a}>0 \\ \tag{\text{※ a < 0 だから -1/(2a) は正}} b>0 \end{align*}

である。

ccは図のグラフよりx=0x=0の時、y>0y>0と読み取れるから、

y=a⋅02+b⋅0+c>0y=c>0c>0\begin{align*} y=a\cdot0^2+b\cdot0+c>0\\ y=c>0\\ c>0 \end{align*}

図のグラフより(x,y)=(1,0)(x,y)=(1,0)であるから、y=ax2+bx+cy=ax^2+bx+cに代入すると、

0=a⋅12+b⋅1+c0=a+b+ca+b+c=0\begin{align*} 0=a\cdot1^2+b\cdot1+c\\ 0=a+b+c\\ a+b+c=0 \end{align*}

図のグラフよりx=−1x=-1の時、y<0y<0であるから、y=ax2+bx+cy=ax^2+bx+cに代入すると、

0>y=a⋅(−1)2+b⋅(−1)+c0>y=a−b+cy=a−b+c<0a−b+c<0\begin{align*} 0>y=a\cdot(-1)^2+b\cdot(-1)+c\\ 0>y=a-b+c\\ y=a-b+c<0\\ a-b+c<0 \end{align*}

図のグラフよりx=2x=2の時、y<0y<0であるから、y=ax2+bx+cy=ax^2+bx+cに代入すると、

0>y=a⋅22+b⋅2+c0>y=4a+2b+cy=4a+2b+c<04a−2b+c<0\begin{align*} 0>y=a\cdot2^2+b\cdot2+c\\ 0>y=4a+2b+c\\ y=4a+2b+c<0\\ 4a-2b+c<0 \end{align*}

頂点座標(x,y)=(−b2a,−b2+4ac4a)(x,y)=({-b\over2a},{-b^2+4ac\over4a})より、頂点yは0より大きいから、

−b2+4ac4a>0−b2+4ac<0b2−4ac>0\begin{align*} {-b^2+4ac\over4a}>0\\ \tag{\text{※}a\lt 0}-b^2+4ac<0\\ b^2-4ac>0 \end{align*}

a,b,ca,b,cが以下を満たす時、a2−8b−8ca^2-8b-8cが最小になる場合を考える。

a<0b>0c>0a+b+c=0\begin{align*} a < 0 \\ b > 0 \\ c > 0 \\ a+b+c=0 \end{align*}

この時、a+b+c=0a+b+c=0よりb+c=−ab+c=-aだから

a2−8b−8c=a2−8(b+c)=a2−8(−a)=a2+8a=(a+4)2−16\begin{align*} a^2-8b-8c&=a^2-8(b+c)\\ &=a^2-8(-a)\\ &=a^2+8a\\ &=(a+4)^2-16 \end{align*}

となるので、a=−4a=-4の時、a2−8b−8ca^2-8b-8cが最小になる。
y=ax2+bx+cy=ax^2+bx+cをbbを用いて表すと

a+b+c=0c=−b−a=−b−(−4)=−b+4\begin{align*} a+b+c&=0\\ c&=-b-a\\ &=-b-(-4)\\ &=-b+4 \end{align*}

なので、y=−4x2+bx−b+4y=-4x^2+bx-b+4となる。
また、bbの値の範囲は元の式とbbを用いて表した式を対応させると、

y=ax2+bx+cy=−4x2+bx−b+4\begin{align*} y&=ax^2+bx+c\\ y&=-4x^2+bx-b+4 \end{align*} a=−4b=bc=−b+4\begin{align*} a&=-4\\ b&=b\\ c&=-b+4 \end{align*}

c>0c>0であるから

c=−b+4>04>bb<4\begin{align*} c=-b+4>0\\ 4>b\\ b<4 \end{align*}

b>0b \gt 0と合わせると、bbの範囲は0<b<40 \lt b \lt 4となる。