極値から関数決定(逆(十分条件)の確認)

(1)例題

p, qを実数とし、関数f(x)=x3+px2+qxはx=-1で極大値2をとるとする。このときpとqの値を求めよ。

(2019年センター試験本試数学ⅡB第2問(1)より)

(2)例題の答案

f'(x)=3x2+2px+q

f(x)はx=-1で極値をとるので、
f'(-1)=0より
3-2p+q=0 ・・・(ア)

また、x=-1で極大値2をとるので、f(-1)=2より
-1+p-q=2 ・・・(イ)

(ア)(イ)より
p=0, q=-3

逆にこのとき
f(x)=x3-3x
f'(x)=3x2-3=3(x+1)(x-1)
なので、f(x)の増減表は以下のようになる。

x-11
f'(x)+00+
f(x)2
(極大)
−2
(極小)

したがって、確かにf(x)はx=-1で極大値2をとる。

(3)解法のポイント

例えばx=aで極大値、x=bで極小値をとるとすると、解法の手順は、

①f(a)=極大値、f'(a)=0、f(b)=極小値、f'(b)=0の4つの条件から係数を求め、3次関数を求める。
②①で求めた3次関数を微分して、増減表をかき、x=aで極大値、x=bで極小値をとるかどうかの確認をする。

この手順になります。①で一応答えは出ているはずなのに、なぜ②が必要なのでしょうか。

それは、極値の定義が、増加と減少が変わる場所のことだからです。
つまり、増加から減少に変わる場合は極大値、減少から増加に変わる場合は極小値と言っているのです。
そのため、極値であればf'(x)=0となりますが、逆の「f'(x)=0ならば極値である」は偽です。
※反例:導関数y=f'(x)がx軸と接するとき(このとき、元の関数f(x)の傾きは0になる瞬間はあるが、その前後では増加→傾き0→増加、または、減少→傾き0→減少となっているので、極値を持つとは言えない)

ゆえに、①で「x=aで極大値だからf'(a)=0」や「x=bで極小値だからf'(b)=0」としていますが、その逆の「f'(a)=0だからx=aで極大値」や「f'(b)=0だからx=bで極小値」が成り立っているとは限らないのです。
そのため②の逆の確認(十分条件の確認)が必要なのです。
※①は必要条件であり、②は十分条件である

(4)理解すべきこと

そもそも極値とは何か、なぜ逆の確認(十分性の確認)をしないといけないのか理解しましょう→極値をもつ条件(そもそも極値とは何か、「f'(α)=0ならばx=αで極値をもつ」は偽である理由、極値の条件から係数を決定する問題で逆の確認(十分性の確認)をしないといけない理由も解説しています)

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