プリンキピア

第1章関数とグラフ

Representing Functions関数を表す方法

Typically, a function is represented using one or more of the following tools:
関数は通常、次の方法を1つ、または複数使って表す。
  • A table
    表
  • A graph
    グラフ
  • A formula
    式
We can identify a function in each form, but we can also use them together. For instance, we can plot on a graph the values from a table or create a table from a formula.
いずれの形式からも関数を読み取れるが、これらを組み合わせてもよい。たとえば、表の値をグラフ上に打つことも、式から表を作ることもできる。

Tables表

Functions described using a table of values arise frequently in real-world applications. Consider the following simple example. We can describe temperature on a given day as a function of time of day. Suppose we record the temperature every hour for a 24-hour period starting at midnight. We let our input variable x be the time after midnight, measured in hours, and the output variable y be the temperature x hours after midnight, measured in degrees Fahrenheit. We record our data in Table 1.1.
英語のヒント
実際の応用では、値の表で記述された関数がよく現れる。簡単な例を考えよう。ある1日の気温は、その日の時刻の関数として記述できる。午前0時から24時間にわたって、1時間ごとに気温を記録するとしよう。入力変数xを午前0時からの経過時間(単位:時間)、出力変数yを午前0時からx時間後の気温(単位:華氏)とする。このデータを表1.1に記録する。
Temperature as a Function of Time of Day時刻の関数としての気温
Hours after Midnight
午前0時からの経過時間
Temperature (°F)
気温(°F)
Hours after Midnight
午前0時からの経過時間
Temperature (°F)
気温(°F)
0
58
12
84
1
54
13
85
2
53
14
85
3
52
15
83
4
52
16
82
5
55
17
80
6
60
18
77
7
64
19
74
8
72
20
69
9
75
21
65
10
78
22
60
11
80
23
58
Table 1.1表 1.1
We can see from the table that temperature is a function of time, and the temperature decreases, then increases, and then decreases again. However, we cannot get a clear picture of the behavior of the function without graphing it.
英語のヒント
表から、気温は時刻の関数であり、いったん下がってから上がり、その後また下がることがわかる。しかし、グラフを描かなければ、この関数の振る舞いをはっきりと捉えることはできない。

Graphsグラフ

Given a function f described by a table, we can provide a visual picture of the function in the form of a graph. Graphing the temperatures listed in Table 1.1 can give us a better idea of their fluctuation throughout the day. Figure 1.6 shows the plot of the temperature function.
英語のヒント
関数fが表で与えられているとき、グラフにすると関数の様子を目で捉えられる。表1.1の気温をグラフにすると、1日を通じた変動がよりよくわかる。図1.6は、この気温の関数を描いたものである。
気温のグラフ。縦軸は0から90で「Temperature in Fahrenheit(華氏の気温)」、横軸は0から24で「hours after midnight(午前0時からの経過時間)」と表示される。横軸の1刻みごとに、計24個の点が打たれている。最初の点は(0, 58)で、x = 4まで減少し、点(4, 52)で最小値となる。その後x = 13まで増加し、点(13, 85)と(14, 85)で最大値となる。x = 14を過ぎると、最後の点(23, 58)まで減少する。

OpenStax, Rice University; Calculus Volume 1. · CC BY-NC-SA 4.0

Figure 1.6図 1.6
The graph of the data from Table 1.1 shows temperature as a function of time.
表1.1のデータをグラフにすると、時刻の関数として気温を表せる。
From the points plotted on the graph in Figure 1.6, we can visualize the general shape of the graph. It is often useful to connect the dots in the graph, which represent the data from the table. In this example, although we cannot make any definitive conclusion regarding what the temperature was at any time for which the temperature was not recorded, given the number of data points collected and the pattern in these points, it is reasonable to suspect that the temperatures at other times followed a similar pattern, as we can see in Figure 1.7.
英語のヒント
図1.6に打った点から、グラフのおおよその形を捉えられる。表のデータを表しているこれらの点を線で結ぶと、役に立つことが多い。この例では、記録していない時刻の気温について、確定的な結論は出せない。それでも、集めたデータ点の数とその並び方を考えると、他の時刻の気温も同じような変化をしたと推測するのは妥当である。図1.7に、その様子を示す。
気温のグラフ。縦軸は0から90で「Temperature in Fahrenheit(華氏の気温)」、横軸は0から24で「hours after midnight(午前0時からの経過時間)」と表示される。横軸の1刻みごとに、計24個の点が打たれている。最初の点は(0, 58)で、x = 4まで減少し、点(4, 52)で最小値となる。その後x = 13まで増加し、点(13, 85)と(14, 85)で最大値となる。x = 14を過ぎると、最後の点(23, 58)まで減少する。すべての点を線で結んである。

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Figure 1.7図 1.7
Connecting the dots in Figure 1.6 shows the general pattern of the data.
図1.6の点を結ぶと、データの全体的な変化の様子がわかる。

Algebraic Formulas代数式

Sometimes we are not given the values of a function in table form, rather we are given the values in an explicit formula. Formulas arise in many applications. For example, the area of a circle of radius r is given by the formula A(r)=πr2. When an object is thrown upward from the ground with an initial velocity v0 ft/s, its height above the ground from the time it is thrown until it hits the ground is given by the formula s(t)=−16t2+v0t. When P dollars are invested in an account at an annual interest rate r compounded continuously, the amount of money after t years is given by the formula A(t)=Pert. Algebraic formulas are important tools to calculate function values. Often we also represent these functions visually in graph form.
英語のヒント
関数の値が表ではなく、具体的な式として与えられる場合もある。式は多くの応用場面に現れる。たとえば、半径rの円の面積は、式A(r)=πr2で与えられる。物体を地面から初速度v0 ft/sで上向きに投げると、投げた瞬間から地面に戻るまでの高さは、式s(t)=−16t2+v0tで与えられる。Pドルを年利率rで連続複利の口座に預けた場合、t年後の金額は式A(t)=Pertで与えられる。代数式は、関数の値を計算するための重要な道具である。また、その関数をグラフとして視覚的に表すことも多い。
Given an algebraic formula for a function f, the graph of f is the set of points (x,f(x)), where x is in the domain of f and f(x) is in the range. To graph a function given by a formula, it is helpful to begin by using the formula to create a table of inputs and outputs. If the domain of f consists of an infinite number of values, we cannot list all of them, but because listing some of the inputs and outputs can be very useful, it is often a good way to begin.
関数fを表す代数式が与えられたとき、fのグラフは、xがfの定義域に属し、f(x)が値域に属するような点(x,f(x))の集合である。式で与えられた関数のグラフを描くには、まずその式を使って入力と出力の表を作るとよい。fの定義域が無限個の値からなる場合、すべてを書き並べることはできない。それでも、いくつかの入力と出力を並べるだけで大いに役立つため、手始めとしてよい方法になることが多い。
When creating a table of inputs and outputs, we typically check to determine whether zero is an output. Those values of x where f(x)=0 are called the zeros of a function. For example, the zeros of f(x)=x2−4 are x=±2. The zeros determine where the graph of f intersects the x-axis, which gives us more information about the shape of the graph of the function. The graph of a function may never intersect the x-axis, or it may intersect multiple (or even infinitely many) times.
英語のヒント
入力と出力の表を作るときには、通常、出力が0になるかどうかを調べる。f(x)=0を満たすxの値を、関数の零点という。たとえば、f(x)=x2−4の零点はx=±2である。零点は、fのグラフとx軸が交わる場所を決め、グラフの形を知る手がかりになる。関数のグラフがx軸とまったく交わらないこともあれば、複数回、さらには無限回交わることもある。
Another point of interest is the y-intercept, if it exists. The y-intercept is given by (0,f(0)).
英語のヒント
もう1つ注目したいのは、存在する場合のy軸との交点である。y軸との交点は(0,f(0))で与えられる。
Since a function has exactly one output for each input, the graph of a function can have, at most, one y-intercept. If x=0 is in the domain of a function f, then f has exactly one y-intercept. If x=0 is not in the domain of f, then f has no y-intercept. Similarly, for any real number c, if c is in the domain of f, there is exactly one output f(c), and the line x=c intersects the graph of f exactly once. On the other hand, if c is not in the domain of f,f(c) is not defined and the line x=c does not intersect the graph of f. This property is summarized in the vertical line test.
英語のヒント
関数では1つの入力に対して出力がちょうど1つなので、グラフとy軸との交点は多くても1つである。x=0が関数fの定義域に含まれるなら、fにはy軸との交点がちょうど1つある。x=0がfの定義域に含まれなければ、fにはy軸との交点がない。同様に、任意の実数cについて、cがfの定義域に含まれるなら、出力f(c)がちょうど1つ存在し、直線x=cはfのグラフとちょうど1回交わる。これに対して、cが定義域に含まれない場合、ff(c)は定義されず、直線x=cはfのグラフと交わらない。この性質をまとめたものが、鉛直線判定法である。
We can use this test to determine whether a set of plotted points represents the graph of a function (Figure 1.8).
この判定法により、打たれた点の集合が関数のグラフを表しているかどうかを調べられる(図1.8)。
2つのグラフ。(a)は関数「y = f(x)」のグラフで、3本の鉛直線がそれぞれグラフ上の点を通る。どの鉛直線もグラフと1回だけ交わる。(b)は「y ≠ f(x)」と記された関係のグラフで、2本の鉛直線のそれぞれが異なる3点でグラフと交わっている。

OpenStax, Rice University; Calculus Volume 1. · CC BY-NC-SA 4.0

Figure 1.8図 1.8
(a) The set of plotted points represents the graph of a function because every vertical line intersects the set of points, at most, once. (b) The set of plotted points does not represent the graph of a function because some vertical lines intersect the set of points more than once.
(a) どの鉛直線も点の集合と多くて1回しか交わらないので、この点の集合は関数のグラフを表す。(b) 点の集合と2回以上交わる鉛直線があるので、この点の集合は関数のグラフを表さない。
Example 1.3例題 1.3
Finding Zeros and y-Intercepts of a Function関数の零点とy軸との交点を求める
Consider the function f(x)=−4x+2.
関数f(x)=−4x+2を考えよ。
  1. Find all zeros of f.
    fの零点をすべて求めよ。
  2. Find the y-intercept (if any).
    y軸との交点を求めよ(存在する場合)。
  3. Sketch a graph of f.
    fのグラフの概形を描け。
Solution解き方
  1. To find the zeros, solve f(x)=−4x+2=0. We discover that f has one zero at x=1/2.
    零点を求めるには、f(x)=−4x+2=0を解く。fはx=1/2に零点を1つ持つことがわかる。
  2. The y-intercept is given by (0,f(0))=(0,2).
    y軸との交点は(0,f(0))=(0,2)である。
  3. Given that f is a linear function of the form f(x)=mx+b that passes through the points (1/2,0) and (0,2), we can sketch the graph of f (Figure 1.9).
    fはf(x)=mx+bの形の1次関数で、点(1/2,0)と(0,2)を通る。そのため、fのグラフの概形を描ける(図1.9)。
    縦軸・横軸がともに−2から5のグラフ。関数「f(x) = −4x + 2」は右下がりの直線で、直線上に(0, 2)と(1/2, 0)の2点が示されている。

    OpenStax, Rice University; Calculus Volume 1. · CC BY-NC-SA 4.0

    Figure 1.9図 1.9
    The function f(x)=−4x+2 is a line with
    x-intercept (1/2,0) and y-intercept (0,2).
    関数f(x)=−4x+2のグラフは直線であり、x軸との交点は(1/2,0)、y軸との交点は(0,2)である。
Example 1.4例題 1.4
Using Zeros and y-Intercepts to Sketch a Graph零点とy軸との交点を使ってグラフの概形を描く
Consider the function f(x)=x+3+1.
関数f(x)=x+3+1を考えよ。
  1. Find all zeros of f.
    fの零点をすべて求めよ。
  2. Find the y-intercept (if any).
    y軸との交点を求めよ(存在する場合)。
  3. Sketch a graph of f.
    fのグラフの概形を描け。
Solution解き方
  1. To find the zeros, solve x+3+1=0. This equation implies x+3=−1. Since x+3≥0 for all x, this equation has no solutions, and therefore f has no zeros.
    零点を求めるには、x+3+1=0を解く。この式からx+3=−1となる。定義域内のすべてのxについてx+3≥0なので、この方程式に解はなく、fに零点はない。
  2. The y-intercept is given by (0,f(0))=(0,3+1).
    y軸との交点は(0,f(0))=(0,3+1)である。
  3. To graph this function, we make a table of values. Since we need x+3≥0, we need to choose values of x≥−3. We choose values that make the square-root function easy to evaluate.
    この関数のグラフを描くために、値の表を作る。x+3≥0でなければならないので、x≥−3の値を選ぶ必要がある。平方根の値を計算しやすくなるように、値を選ぼう。
    x
    −3
    −2
    1
    f(x)
    1
    2
    3
    Table 1.2表 1.2
Making use of the table and knowing that, since the function is a square root, the graph of f should be similar to the graph of y=x, we sketch the graph (Figure 1.10).
表を使い、この関数が平方根を用いた関数であることから、fのグラフはy=xのグラフに似た形になると考えて、概形を描く(図1.10)。
縦軸が−2から4、横軸が−3から2のグラフ。関数「f(x) = √(x + 3) + 1」は、点(−3, 1)から始まる右上がりの曲線である。曲線上に(−3, 1)、(−2, 2)、(1, 3)の3点が示され、y軸との交点は(0, 1 + √3)である。

OpenStax, Rice University; Calculus Volume 1. · CC BY-NC-SA 4.0

Figure 1.10図 1.10
The graph of f(x)=x+3+1 has a
y-intercept but no x-intercepts.
f(x)=x+3+1のグラフにはy軸との交点があるが、x軸との交点はない。
Example 1.5例題 1.5
Finding the Height of a Free-Falling Object自由落下する物体の高さを求める
If a ball is dropped from a height of 100 ft, its height s at time t is given by the function s(t)=−16t2+100, where s is measured in feet and t is measured in seconds. The domain is restricted to the interval [0,c], where t=0 is the time when the ball is dropped and t=c is the time when the ball hits the ground.
英語のヒント
ボールを高さ100 ftから落とすと、時刻tでの高さsは関数s(t)=−16t2+100で与えられる。sの単位はフィート、tの単位は秒である。定義域は区間[0,c]に制限する。t=0はボールを落とした時刻、t=cは地面に着く時刻である。
  1. Create a table showing the height s(t) when t=0,0.5,1,1.5,2,and2.5. Using the data from the table, determine the domain for this function. That is, find the time c when the ball hits the ground.
    t=0,0.5,1,1.5,2,および2.5における高さs(t)を示す表を作れ。そのデータを使って、この関数の定義域を求めよ。すなわち、ボールが地面に着く時刻cを求めよ。
  2. Sketch a graph of s.
    sのグラフの概形を描け。
Solution解き方
  1. Height s as a Function of Time t時刻tの関数としての高さs
    t
    0
    0.5
    1
    1.5
    2
    2.5
    s(t)
    100
    96
    84
    64
    36
    0
    Table 1.3表 1.3
    Since the ball hits the ground when t=2.5, the domain of this function is the interval [0,2.5].
    ボールが地面に着くのはt=2.5のときなので、この関数の定義域は区間[0,2.5]である。
  2. 縦軸は0から100で「s(t), height in feet(高さ、単位ft)」、横軸は0から3で「t, time in seconds(時間、単位秒)」と表示される。関数「s(t) = −16t² + 100」は、y軸との交点(0, 100)から始まる右下がりの曲線である。グラフ上に(0, 100)、(0.5, 96)、(1, 84)、(1.5, 64)、(2, 36)、(2.5, 0)の6点が打たれ、最後の点(2.5, 0)でx軸と交わる。

    OpenStax, Rice University; Calculus Volume 1. · CC BY-NC-SA 4.0

Note that for this function and the function f(x)=−4x+2 graphed in Figure 1.9, the values of f(x) are getting smaller as x is getting larger. A function with this property is said to be decreasing. On the other hand, for the function f(x)=x+3+1 graphed in Figure 1.10, the values of f(x) are getting larger as the values of x are getting larger. A function with this property is said to be increasing. It is important to note, however, that a function can be increasing on some interval or intervals and decreasing over a different interval or intervals. For example, using our temperature function in Figure 1.6, we can see that the function is decreasing on the interval (0,4), increasing on the interval (4,14), and then decreasing on the interval (14,23). We make the idea of a function increasing or decreasing over a particular interval more precise in the next definition.
英語のヒント
この関数と、図1.9に描いた関数f(x)=−4x+2では、xが大きくなるにつれてf(x)の値が小さくなる。この性質を持つ関数は減少するという。一方、図1.10の関数f(x)=x+3+1では、xの値が大きくなるにつれてf(x)の値も大きくなる。この性質を持つ関数は増加するという。ただし、ある区間またはいくつかの区間では増加し、別の区間またはいくつかの区間では減少する関数もある。たとえば、図1.6の気温の関数は、区間(0,4)では減少し、区間(4,14)では増加し、その後、区間(14,23)では減少する。特定の区間で関数が増加・減少するという考えを、次の定義でより厳密にする。
For example, the function f(x)=3x is increasing on the interval (−∞,∞) because 3x1<3x2 whenever x1<x2. On the other hand, the function f(x)=−x3 is strictly decreasing on the interval (−∞,∞) because −x13>−x23 whenever x1<x2 (Figure 1.11).
英語のヒント
たとえば、関数f(x)=3xは区間(−∞,∞)で増加する。x1<x2であれば常に3x1<3x2だからである。一方、関数f(x)=−x3は区間(−∞,∞)で狭義単調減少する。x1<x2であれば常に−x13>−x23だからである(図1.11)。
2つのグラフ。(a)は関数「f(x) = 3x」で、原点を通る右上がりの直線である。(b)は関数「f(x) = −x³」で、原点までは減少し、原点では接線が水平になるが、その後も再び減少していく曲線である。

OpenStax, Rice University; Calculus Volume 1. · CC BY-NC-SA 4.0

Figure 1.11図 1.11
(a) The function f(x)=3x is increasing on the interval (−∞,∞). (b) The function f(x)=−x3 is decreasing on the interval (−∞,∞).
(a) 関数f(x)=3xは区間(−∞,∞)で増加する。(b) 関数f(x)=−x3は区間(−∞,∞)で減少する。