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微分法の応用その 2 :関数の増減と凹凸

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第 5 章 微分法

5.2 微分法の応用その 2 :関数の増減と凹凸

定理5.9. (導関数と関数の増減)

 関数f(x)は閉区間[a, b]で連続,開区間(a, b)で微分可能とする.

(1)  f(x) が[a, b] 上単調増加であるための必要十分条件は

f(x)≧0 (a < x < b) となることである.

(2)  f(x)>0 (a < x < b)ならば,f(x)は [a, b]上狭義単調増加である.

(3)  f(x) が[a, b] 上単調減少であるための必要十分条件は

f(x)≦0 (a < x < b) となることである.

(4)  f(x)<0 (a < x < b)ならば,f(x)は [a, b]上狭義単調減少である.

証明.  すべて平均値の定理から証明できる.証明は同様なので(1),(2)だけ証明する.

(1)  f(x)が [a, b]上単調増加であるとすると,h >0 とh <0のどちらでも f(x+h)−f(x)

h ≧0 (a < x < b) が成り立つから

f(x) = lim

h0

f(x+h)−f(x)

h ≧0 (a < x < b)

 逆にf(x)≧0 (a < x < b)であるとする.a≦x1< x2bとなる任意の x1, x2 をとる.このとき,平 均値の定理より

f(x2)−f(x1) x2−x1

=f(c), x1< c < x2

となるc が存在する.ここで,定理の仮定よりf(c)≧0 であるから,

f(x2)−f(x1) =f(c)(x2−x1)≧0 よって,f(x1)≦f(x2)が成り立つので,f は[a, b]上単調増加である.

(2)  ax1< x2b となる任意のx1, x2 をとる.このとき,平均値の定理より f(x2)−f(x1)

x2−x1

=f(c), x1< c < x2 となるc が存在する.ここで,定理の仮定よりf(c)>0 であるから,

f(x2)−f(x1) =f(c)(x2−x1)>0 よって,f(x1)< f(x2)が成り立つので,f は[a, b]上狭義単調増加である.

注意5.10.  定理5.9(2)の逆である

fは[a, b]上狭義単調増加 = f(x)>0 (a < x < b)

は成り立たない.例えばf(x) =x3は狭義単調増加だが,f(x) = 3x2 であるからf(0) = 0となる.このときで も,f(x)≧0 は当然成り立つ.また,1点x=pf(p)>0 でも,x=pの近くで関数f(x)が増加している とは限らない.ある区間でf(x)≧0 となることが重要である.

次に関数の増減を利用した極値の求め方について復習する.

定義5.11. (極大・極小)

 関数f(x)は点aの近傍で定義されているとする.ある正の数δが存在して 0=\ x−a < δ = f(x)< f(a) が成り立つとき,f(x)は点aで極大であるといい,f(a)を極大値という.

また,ある正の数δが存在して

0=\ x−a < δ = f(x)> f(a) が成り立つとき,f(x)は点aで極小であるといい,f(a)を極小値という.

極大値と極小値をまとめて極値という.

前にも述べたが,重要なのでもう一度繰り返しておくと

定理5.12.  関数 f(x)は点aで極値をとり,かつ点 aで微分可能ならば,f(a) = 0 である.

証明.  定理5.1(Rolleの定理)とほとんど同様であるから,練習問題とする.

注意5.13.  上の定理は f(x)が点aで微分可能ならば f(a) = 0 ということを主張しているのであって,一般

には微分不可能な点で極値をとることがある.

例えば,f(x) =|x|x= 0で極小値f(0) = 0をとるが,x= 0で微分可能ではないから,もちろんf(0) = 0 などは成り立たない.

例題5.14.  関数f(x) = 4x2+ 2x+ 4

x2+ 1 の極値および最大値,最小値があれば求めよ.

(解答) 導関数を計算すれば

f(x) = (8x+ 2)·(x2+ 1)(4x2+ 2x+ 4)·2x

(x2+ 1)2 = 2x2+ 2

(x2+ 1)2 = 2(x+ 1)(x1) (x2+ 1)2 より,f(x) = 0となるのはx=±1のときである.また,極限を計算すると

x→±∞lim f(x) = lim

x→±∞

4 + 2 x + 4

x2 1 + 1

x2

= 4

となる.以上のことより,増減表は

x (−∞) · · · 1 · · · 1 · · · ()

f(x) 0 + 0

f(x) (4) & 3 % 5 & (4) となる.ゆえに

x= 1のとき極大値 5, x=1のとき極小値3 をとる.また,このときそれぞれが最大値,最小値にもなっているから

x= 1のとき最大値 5, x=1のとき最小値3

(解答終)

例題5.15.  関数f(x) = log

x2+ 1−√

3 Tan1xの極値を求めよ.

(解答) f(x) = 1

2 log(x2+ 1)−√

3 Tan1xなので,導関数を計算すれば f(x) = 1

2 · 1

x2+ 1 ·2x−√ 3· 1

1 +x2 = x−√ 3 x2+ 1 より,f(x) = 0となるのはx=

3のときである.ここで f(

3 ) = log 4−√

3 Tan1

3 = log 2−√ 3· π

3 = log 2 √π 3 であるから,増減表は

x (−∞) · · ·

3 · · · ()

f(x) 0 +

f(x) () & log 2 √π

3 % ()

となる.ゆえに

x=

3 のとき,極小値 log 2 √π 3 をとる.

(解答終)

例題5.16.  関数f(x) = Sin1x−2

1−x2 の区間I= [1,1]における最大値と最小値を求めよ.

(解答) 1< x <1のときに関数 f(x)は微分可能で,その導関数は f(x) = 1

1−x2 2· 1 2

1−x2 ·(2x) = 1 + 2x 1−x2 であるから,f(x) = 0 を解くとx=1

2 である.また f(1) = Sin11 = π

2 , f(1) = Sin1(1) =−π 2 f

1 2

= Sin1 1

2 2

r 1 1

4 =−π 6 −√

3 と合わせて,f(x)の増減表は

x 1 · · · 1

2 · · · 1

f(x) 0 +

f(x) −π

2 & −π 6 −√

3 % π

2 となる.ゆえに

x= 1のとき,最大値 π

2 , x=1

2 のとき,最小値 π 6 −√

3

(解答終)

練習問題5.1.  定理5.12を示せ.

定義5.17. (凸関数)

 区間I で定義された関数f(x)が凸関数であるとは,I の任意の2点 a, b(a < b)に対して,a < x < bならば f(x)−f(a)

x−af(b)−f(x)

b−x (5.1)

が成り立つことである.このとき,f(x)は下に凸であるという.

さらに,a < x < bならば

f(x)−f(a)

x−a < f(b)−f(x)

b−x (5.2)

が成り立つとき,f(x)は狭義の凸関数という.

また,−f(x)が下に凸であるとき,f(x)は上に凸であるという.

注意5.18.  凸関数の定義式(5.1)においてx= (1−t)a+tbとおくと,条件式は次のように表せる.

I の任意の2点a, b(a < b)に対して,0< t <1ならば f (1−t)a+tb

≦(1−t)f(a) +tf(b) (5.3)

が成り立つとき,f(x)をI における凸関数という.

これを凸関数の定義式としている本も多い.この条件式の図形的な意味を考えると,凸関数とはy=f(x)のグ ラフ上のどの異なる2点をとっても,その2点を結んだ線分がy=f(x)のグラフの下側にはこないということで ある.

5.19.  凸関数の例や凸関数でない例を挙げ,以下では数式による説明を示す.各自で関数のグラフを描いて

どのような様子を表しているかを確認すること.

f(x) =x2は R上の凸関数であり,特に狭義の凸関数である.実際,a < x < bに対して f(b)−f(x)

b−x f(x)−f(a)

x−a = b2−x2

b−x x2−a2

x−a = (b+x)−(x+a) =b−a >0 であるから(5.2)が成り立つ.

g(x) =|x| はR上の凸関数であるが,狭義の凸関数ではない.実際,a < bと 0< t <1 に対して,三角不等 式より

g (1−t)a+tb

= (1−t)a+tb|(1−t)a|+|tb|= (1−t)|a|+t|b|= (1−t)g(a) +tg(b) であるから(5.3)が成り立つ.等号はabが同符号ならば成り立つから,狭義の凸関数ではない.

h(x) =x3 はR上の凸関数ではない.実際,a=2, x= 0, b= 1とするとa < x < bであるが h(b)−h(x)

b−x h(x)−h(a)

x−a = 10

10 0(8)

0(2) = 14<0

であるから(5.1)をみたさない.ただし,h(x)は[0,)上の狭義の凸関数である.実際,0≦a < x < bならば h(b)−h(x)

b−x h(x)−h(a)

x−a = b3−x3

b−x x3−a3

x−a = (b2+bx+x2)(x2+ax+a2) = (b−a)(b+x+a)>0 であるから(5.2)が成り立つ.

このように関数が凸かどうかはその定義域によって変化しうる.また,上で述べた2種類の不等式(5.1)と(5.3)

定理5.20. (2次導関数と凸関数)

 関数f(x)が区間I で連続で,I の端点を除いた開区間I˜で2回微分可能であるとする.

(1) f(x) がI で凸関数であるための必要十分条件は,開区間 I˜でf′′(x)≧0 となることである.

(2) 開区間 I˜でf′′(x)>0 ならば,f(x)は I で狭義の凸関数である.

証明.  

(1)  f(x)が Iで凸関数であるとする.I˜の任意の2点 a, b(a < b)に対して,a < x < bならば f(x)−f(a)

x−af(b)−f(x)

b−x (5.4)

が成り立つ.ここで,f(x)は微分可能だから,(5.4)においてx→b−0 とすると f(b)−f(a)

b−a = lim

xb0

f(x)−f(a)

x−a ≦ lim

xb0

f(b)−f(x)

b−x =f(b) =f(b) であり,またx→a+ 0とすると

f(a) =f+ (a) = lim

xa+0

f(x)−f(a)

x−a ≦ lim

xa+0

f(b)−f(x)

b−x = f(b)−f(a) b−a となる.よって,これらをまとめると

f(a)≦ f(b)−f(a)

b−af(b) ∴ f(a)≦f(b)

が成り立つ.つまり,I˜においてf(x)は単調増加であるから,f′′(x)≧0 が成り立つ.

 逆に,開区間I˜でf′′(x)≧0 であるとする.このとき,f(x)は I で単調増加である.区間I の任意の 2点 a, b(a < b)をとる.任意の点a < x < bに対して,平均値の定理より

f(x)−f(a)

x−a =f(c1), a < c1< x, f(b)−f(x)

b−x =f(c2), x < c2< b (5.5) となるc1, c2 が存在する.ここで,c1< c2 であるから

f(x)−f(a)

x−a =f(c1)≦f(c2) = f(b)−f(x) b−x より(5.1)が成り立つので,f(x)は凸関数である.

(2)  開区間I˜で f′′(x)>0 ならば,f(x)は I で狭義単調増加である.区間I の任意の2点 a, b(a < b)を とる.任意の点a < x < b に対して,平均値の定理より(5.5)を満たすような c1, c2 が存在する.ここで,

c1< c2であるから

f(x)−f(a)

x−a =f(c1)< f(c2) = f(b)−f(x) b−x より(5.2)が成り立つので,f(x)は狭義の凸関数である.

例題5.21.  関数f(x) = 4x2+ 2x+ 4

x2+ 1 の凹凸を調べよ.

(解答) 導関数を計算すれば

f(x) = (8x+ 2)·(x2+ 1)(4x2+ 2x+ 4)·2x

(x2+ 1)2 = 2x2+ 2 (x2+ 1)2 より

f′′(x) = 4x·(x2+ 1)2(2x2+ 2)·2(x2+ 1)·2x

(x2+ 1)4 = 4x(x23)

(x2+ 1)3 = 4x(x+

3 )(x−√ 3 ) (x2+ 1)3 であるから,f′′(x) = 0となるのはx= 0,±√

3 のときである.よって x (−∞) · · · −√

3 · · · 0 · · ·

3 · · · ()

f′′(x) 0 + 0 0 +

f(x)

より

(−∞,−√

3]および[0,

3]で上に狭義の凸, [−√

3,0]および[

3,)で下に狭義の凸

(解答終)

練習問題5.2.  次の関数の増減・凹凸を調べ,グラフをかけ.

(1) y=x+

4−x2 (2) y= x23x+ 2 x2+ 3x+ 2

例題5.22.  関数f(x)は R上の凸関数でf(x)≧0, f(0) = 0とする.さらに,f(x)が上に有界ならば,f(x) は恒等的に0と等しいことを示せ.

(解答) 関数 f(x)は上に有界なので,ある正の定数M が存在して f(x)≦M (xR) が成り立つ.よって,t >1とすれば,任意の実数xに対して

f(x) =f 1

t ·tx+

1 1 t

0

≦ 1

t f(tx) +

1 1 t

f(0) = f(tx)

tM

t が成り立つから,この不等式より

0≦f(x)≦ M

t −→ 0 (t→ ∞)

が得られるので,f(x) = 0となる.

(解答終)

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