プリンキピア

第4章微分の応用

End Behavior for Polynomial Functions多項式関数の無限遠での振る舞い

Consider the power function f(x)=xn where n is a positive integer. From Figure 4.50 and Figure 4.51, we see that
nを正の整数とし、累乗関数f(x)=xnを考える。図4.50と図4.51から、次のことが分かる。
limx→∞xn=∞;n=1,2,3,…
and
また、
limx→−∞xn={∞;n=2,4,6,…−∞;n=1,3,5,….
limx→−∞xn={∞;n=2,4,6,…−∞;n=1,3,5,…
x²、x⁴、x⁶のグラフ。いずれもy軸に対称で、左右の遠方では正の無限大へ向かう。|x|が1を超えると、指数が大きい関数ほど急速に増大する。

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Figure 4.50図 4.50
For power functions with an even exponent of n, limx→∞xn=∞=limx→−∞xn.
指数nが偶数である累乗関数では、limx→∞xn=∞=limx→−∞xnとなる。
x、x³、x⁵のグラフ。いずれも原点を通り、右の遠方では正の無限大、左の遠方では負の無限大へ向かう。|x|が1を超えると、指数が大きい関数ほど絶対値が速く増大する。

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Figure 4.51図 4.51
For power functions with an odd exponent of n, limx→∞xn=∞ and limx→−∞xn=−∞.
指数nが奇数である累乗関数では、limx→∞xn=∞かつlimx→−∞xn=−∞となる。
Using these facts, it is not difficult to evaluate limx→∞cxn and limx→−∞cxn, where c is any constant and n is a positive integer. If c>0, the graph of y=cxn is a vertical stretch or compression of y=xn, and therefore
以上を使えば、cを任意の定数、nを正の整数とするときのlimx→∞cxnとlimx→−∞cxnを求められる。c>0の場合、y=cxnのグラフはy=xnのグラフを縦方向に拡大または縮小したものなので、次の結果が得られる。
limx→∞cxn=limx→∞xnandlimx→−∞cxn=limx→−∞xnifc>0.
limx→∞cxn=limx→∞xnおよびlimx→−∞cxn=limx→−∞xn条件:c>0
If c<0, the graph of y=cxn is a vertical stretch or compression combined with a reflection about the x-axis, and therefore
c<0の場合、y=cxnのグラフは、縦方向の拡大・縮小とx軸に関する対称移動を組み合わせたものになる。したがって、次の結果が得られる。
limx→∞cxn=−limx→∞xnandlimx→−∞cxn=−limx→−∞xnifc<0.
limx→∞cxn=−limx→∞xnおよびlimx→−∞cxn=−limx→−∞xn条件:c<0
If c=0,y=cxn=0, in which case limx→∞cxn=0=limx→−∞cxn.
c=0y=cxn=0なので、limx→∞cxn=0=limx→−∞cxnとなる。
Example 4.24例題 4.24
Limits at Infinity for Power Functions累乗関数の無限遠での極限
For each function f, evaluate limx→∞f(x) and limx→−∞f(x).
各関数fについて、limx→∞f(x)とlimx→−∞f(x)を求めよ。
  1. f(x)=−5x3
    f(x)=−5x3
  2. f(x)=2x4
    f(x)=2x4
Solution解き方
  1. Since the coefficient of x3 is −5, the graph of f(x)=−5x3 involves a vertical stretch and reflection of the graph of y=x3 about the x-axis. Therefore, limx→∞(−5x3)=−∞ and limx→−∞(−5x3)=∞.
    x3の係数は−5なので、f(x)=−5x3のグラフは、y=x3のグラフを縦方向に拡大し、x軸に関して対称移動したものになる。したがって、limx→∞(−5x3)=−∞かつlimx→−∞(−5x3)=∞である。
  2. Since the coefficient of x4 is 2, the graph of f(x)=2x4 is a vertical stretch of the graph of y=x4. Therefore, limx→∞2x4=∞ and limx→−∞2x4=∞.
    x4の係数は2なので、f(x)=2x4のグラフはy=x4のグラフを縦方向に拡大したものになる。したがって、limx→∞2x4=∞かつlimx→−∞2x4=∞である。
We now look at how the limits at infinity for power functions can be used to determine limx→±∞f(x) for any polynomial function f. Consider a polynomial function
次に、累乗関数の無限遠での極限を利用して、任意の多項式関数fのlimx→±∞f(x)を求める方法を考える。次の多項式関数をとる。
f(x)=anxn+an−1xn−1+…+a1x+a0
of degree n≥1 so that an≠0. Factoring, we see that
次数をn≥1とするので、an≠0である。共通因子をくくり出すと、
f(x)=anxn(1+an−1an1x+…+a1an1xn−1+a0an1xn).
f(x)=anxn(1+an−1an1x+…+a1an1xn−1+a0an1xn)
As x→±∞, all the terms inside the parentheses approach zero except the first term. We conclude that
x→±∞のとき、括弧内の第1項以外はすべて0へ近づく。したがって、次のことが分かる。
limx→±∞f(x)=limx→±∞anxn.
limx→±∞f(x)=limx→±∞anxn
For example, the function f(x)=5x3−3x2+4 behaves like g(x)=5x3 as x→±∞ as shown in Figure 4.52 and Table 4.4.
例えば、関数f(x)=5x3−3x2+4は、x→±∞のときg(x)=5x3と同じ向きに発散する。図4.52と表4.4を参照。
f(x)=5x³−3x²+4とg(x)=5x³のグラフ。両関数は、右の遠方では正の無限大へ、左の遠方では負の無限大へ向かう。関数値の差が0になるという意味ではなく、最高次の項が発散の向きと主要な増大率を決めている。

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Figure 4.52図 4.52
The end behavior of a polynomial is determined by the behavior of the term with the largest exponent.
英語のヒント
多項式の無限遠での振る舞いは、最高次の項によって決まる。
A polynomial’s end behavior is determined by the term with the largest exponent.多項式の無限遠での振る舞いを決めるのは最高次の項である。
x
10
100
1000
f(x)=5x3−3x2+4
4704
4,970,004
4,997,000,004
g(x)=5x3
5000
5,000,000
5,000,000,000
x
−10
−100
−1000
f(x)=5x3−3x2+4
−5296
−5,029,996
−5,002,999,996
g(x)=5x3
−5000
−5,000,000
−5,000,000,000
Table 4.4表 4.4

End Behavior for Algebraic Functions代数関数の無限遠での振る舞い

The end behavior for rational functions and functions involving radicals is a little more complicated than for polynomials. In Example 4.25, we show that the limits at infinity of a rational function f(x)=p(x)q(x) depend on the relationship between the degree of the numerator and the degree of the denominator. To evaluate the limits at infinity for a rational function, we divide the numerator and denominator by the highest power of x appearing in the denominator. This determines which term in the overall expression dominates the behavior of the function at large values of x.
英語のヒント
有理関数や根号を含む関数の無限遠での振る舞いは、多項式の場合より少し複雑になる。例4.25では、有理関数f(x)=p(x)q(x)の無限遠での極限が、分子と分母の次数の関係によって決まることを示す。有理関数の無限遠での極限を求めるには、分子と分母を、分母に現れるxの最高の累乗で割る。すると、xが大きいとき、式のどの項が関数の振る舞いを支配するかが分かる。
Example 4.25例題 4.25
Determining End Behavior for Rational Functions有理関数の無限遠での振る舞いを調べる
For each of the following functions, determine the limits as x→∞ and x→−∞. Then, use this information to describe the end behavior of the function.
次の各関数について、x→∞とx→−∞のときの極限を求めよ。その結果を使って、無限遠での振る舞いを説明せよ。
  1. f(x)=3x−12x+5 (Note: The degree of the numerator and the denominator are the same.)
    f(x)=3x−12x+5(分子と分母の次数は等しい。)
  2. f(x)=3x2+2x4x3−5x+7 (Note: The degree of numerator is less than the degree of the denominator.)
    f(x)=3x2+2x4x3−5x+7(分子の次数は分母の次数より小さい。)
  3. f(x)=3x2+4xx+2 (Note: The degree of numerator is greater than the degree of the denominator.)
    f(x)=3x2+4xx+2(分子の次数は分母の次数より大きい。)
Solution解き方
  1. The highest power of x in the denominator is x. Therefore, dividing the numerator and denominator by x and applying the algebraic limit laws, we see that
    分母に現れるxの最高の累乗はxである。そこで分子と分母をxで割り、極限の四則演算の法則を使うと、
    limx→±∞3x−12x+5=limx→±∞3−1/x2+5/x=limx→±∞(3−1/x)limx→±∞(2+5/x)=limx→±∞3−limx→±∞1/xlimx→±∞2+limx→±∞5/x=3−02+0=32.

    Since limx→±∞f(x)=32, we know that y=32 is a horizontal asymptote for this function as shown in the following graph.
    limx→±∞f(x)=32なので、y=32がこの関数の水平漸近線である。次のグラフに示す。
    f(x)=(3x−1)/(2x+5)のグラフと、その水平漸近線y=3/2。

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    Figure 4.53図 4.53
    The graph of this rational function approaches a horizontal asymptote as x→±∞.
    この有理関数のグラフは、x→±∞のとき水平漸近線へ近づく。
  2. Since the largest power of x appearing in the denominator is x3, divide the numerator and denominator by x3. After doing so and applying algebraic limit laws, we obtain
    分母に現れるxの最高の累乗はx3なので、分子と分母をx3で割る。そのうえで極限の四則演算の法則を使うと、
    limx→±∞3x2+2x4x3−5x+7=limx→±∞3/x+2/x24−5/x2+7/x3=3(0)+2(0)4−5(0)+7(0)=0.
    limx→±∞3x2+2x4x3−5x+7=limx→±∞3/x+2/x24−5/x2+7/x3=3(0)+2(0)4−5(0)+7(0)=0

    Therefore f has a horizontal asymptote of y=0 as shown in the following graph.
    したがって、fには水平漸近線y=0がある。次のグラフに示す。
    f(x)=(3x²+2x)/(4x³−5x+7)のグラフと、その水平漸近線y=0。原文の代替説明では分母の次数が2になっているが、設問の関数は3次である。

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    Figure 4.54図 4.54
    The graph of this rational function approaches the horizontal asymptote y=0 as x→±∞.
    この有理関数のグラフは、x→±∞のとき水平漸近線y=0へ近づく。
  3. Dividing the numerator and denominator by x, we have
    分子と分母をxで割ると、
    limx→±∞3x2+4xx+2=limx→±∞3x+41+2/x.
    limx→±∞3x2+4xx+2=limx→±∞3x+41+2/x

    As x→±∞, the denominator approaches 1. As x→∞, the numerator approaches +∞. As x→−∞, the numerator approaches −∞. Therefore limx→∞f(x)=∞, whereas limx→−∞f(x)=−∞ as shown in the following figure.
    x→±∞のとき、分母は1.へ近づく。x→∞のとき分子は+∞へ向かい、x→−∞のとき分子は−∞へ向かう。したがって、limx→∞f(x)=∞であり、limx→−∞f(x)=−∞である。次の図に示す。
    f(x)=(3x²+4x)/(x+2)のグラフ。x=−2に垂直漸近線があり、左右の遠方では斜めの直線へ近づいている。

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    Figure 4.55図 4.55
    As x→∞, the values f(x)→∞. As x→−∞, the values f(x)→−∞.
    x→∞のときf(x)→∞となり、x→−∞のときf(x)→−∞となる。
Before proceeding, consider the graph of f(x)=(3x2+4x)(x+2) shown in Figure 4.56. As x→∞ and x→−∞, the graph of f appears almost linear. Although f is certainly not a linear function, we now investigate why the graph of f seems to be approaching a linear function. First, using long division of polynomials, we can write
英語のヒント
先へ進む前に、図4.56のf(x)=(3x2+4x)(x+2)のグラフを考えよう。x→∞およびx→−∞のとき、fのグラフはほぼ直線に見える。f自体は1次関数ではない。それでもfのグラフが直線へ近づいて見えるのはなぜか。まず、多項式の割り算を行うと、次のように書ける。
f(x)=3x2+4xx+2=3x−2+4x+2.
f(x)=3x2+4xx+2=3x−2+4x+2
Since 4(x+2)→0 as x→±∞, we conclude that
x→±∞のとき4(x+2)→0なので、
limx→±∞(f(x)−(3x−2))=limx→±∞4x+2=0.
limx→±∞(f(x)−(3x−2))=limx→±∞4x+2=0
Therefore, the graph of f approaches the line y=3x−2 as x→±∞. This line is known as an oblique asymptote for f (Figure 4.56).
英語のヒント
したがって、x→±∞のとき、fのグラフは直線y=3x−2へ近づく。この直線をfの「斜漸近線」という(図4.56)。
f(x)=(3x²+4x)/(x+2)のグラフと、その斜漸近線y=3x−2。

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Figure 4.56図 4.56
The graph of the rational function f(x)=(3x2+4x)/(x+2) approaches the oblique asymptote y=3x−2asx→±∞.
有理関数f(x)=(3x2+4x)/(x+2)のグラフは、x→±∞y=3x−2。
We can summarize the results of Example 4.25 to make the following conclusion regarding end behavior for rational functions. Consider a rational function
例4.25の結果を整理すると、有理関数の無限遠での振る舞いについて、次のようにまとめられる。有理関数
f(x)=p(x)q(x)=anxn+an−1xn−1+…+a1x+a0bmxm+bm−1xm−1+…+b1x+b0,
f(x)=p(x)q(x)=anxn+an−1xn−1+…+a1x+a0bmxm+bm−1xm−1+…+b1x+b0
where an≠0andbm≠0.
を考える。ただし、an≠0かつbm≠0とする。
  1. If the degree of the numerator is the same as the degree of the denominator (n=m), then f has a horizontal asymptote of y=an/bm as x→±∞.
    分子と分母の次数が等しい(n=m)とき、fはx→±∞において、水平漸近線y=an/bmをもつ。
  2. If the degree of the numerator is less than the degree of the denominator (n<m), then f has a horizontal asymptote of y=0 as x→±∞.
    分子の次数が分母の次数より小さい(n<m)とき、fはx→±∞において、水平漸近線y=0をもつ。
  3. If the degree of the numerator is greater than the degree of the denominator (n>m), then f does not have a horizontal asymptote. The limits at infinity are either positive or negative infinity, depending on the signs of the leading terms. In addition, using long division, the function can be rewritten as
    分子の次数が分母の次数より大きい(n>m)とき、fは水平漸近線をもたない。無限遠での極限は、最高次の項の符号に応じて、正または負の無限大になる。さらに、多項式の割り算を使えば、この関数を次のように書き直せる。
    f(x)=p(x)q(x)=g(x)+r(x)q(x),
    f(x)=p(x)q(x)=g(x)+r(x)q(x)

    where the degree of r(x) is less than the degree of q(x). As a result, limx→±∞r(x)/q(x)=0. Therefore, the values of [f(x)−g(x)] approach zero as x→±∞. If the degree of p(x) is exactly one more than the degree of q(x) (n=m+1), the function g(x) is a linear function. In this case, we call g(x) an oblique asymptote.
    Now let’s consider the end behavior for functions involving a radical.
    ここで、r(x)の次数はq(x)の次数より小さい。そのため、limx→±∞r(x)/q(x)=0となる。したがって、x→±∞のとき[f(x)−g(x)]の値は0へ近づく。p(x)の次数がq(x)の次数よりちょうど1大きい(n=m+1)場合、g(x)は1次関数になる。このとき、直線y=g(x)を斜漸近線と呼ぶ。次に、根号を含む関数の無限遠での振る舞いを考えよう。
Example 4.26例題 4.26
Determining End Behavior for a Function Involving a Radical根号を含む関数の無限遠での振る舞い
Find the limits as x→∞ and x→−∞ for f(x)=3x−24x2+5 and describe the end behavior of f.
f(x)=3x−24x2+5について、x→∞とx→−∞のときの極限を求め、fの無限遠での振る舞いを説明せよ。
Solution解き方
Let’s use the same strategy as we did for rational functions: divide the numerator and denominator by a power of x. To determine the appropriate power of x, consider the expression 4x2+5 in the denominator. Since
有理関数で用いたのと同じ方針で、分子と分母をxの累乗で割ろう。どのxの累乗で割ればよいかを判断するため、分母の4x2+5に注目する。
4x2+5≈4x2=2|x|
for large values of x in effect x appears just to the first power in the denominator. Therefore, we divide the numerator and denominator by |x|. Then, using the fact that |x|=x for x>0, |x|=−x for x<0, and |x|=x2 for all x, we calculate the limits as follows:
この関係から、xの絶対値が大きいとき、分母は実質的にxの1次の大きさになる。そこで、分子と分母を|x|で割る。x>0では|x|=x、x<0では|x|=−xであり、すべてのxについて|x|=x2であることを利用すると、極限は次のように計算できる。
limx→∞3x−24x2+5=limx→∞(1/|x|)(3x−2)(1/|x|)4x2+5=limx→∞(1/x)(3x−2)(1/x2)(4x2+5)=limx→∞3−2/x4+5/x2=34=32limx→−∞3x−24x2+5=limx→−∞(1/|x|)(3x−2)(1/|x|)4x2+5=limx→−∞(−1/x)(3x−2)(1/x2)(4x2+5)=limx→−∞−3+2/x4+5/x2=−34=−32.
Therefore, f(x) approaches the horizontal asymptote y=32 as x→∞ and the horizontal asymptote y=−32 as x→−∞ as shown in the following graph.
したがって、f(x)は、x→∞のとき水平漸近線y=32へ、x→−∞のとき水平漸近線y=−32へ近づく。次のグラフに示す。
f(x)=(3x−2)/√(4x²+5)のグラフ。二つの水平漸近線y=±3/2がある。左の遠方ではy=−3/2へ下側から近づき、途中でこの漸近線を横切る。

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Figure 4.57図 4.57
This function has two horizontal asymptotes and it crosses one of the asymptotes.
この関数には二つの水平漸近線があり、その一方と交わる。