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Calculus · real student question

f(x) = sqrt(9x^2 - 6x + 3) のグラフが x → 正の無限大 で斜め漸近線をもつことを示し、その方程式を求め、曲線がその上側にあるか下側にあるかを判定せよ。

Question

R\mathbb{R} 上で

f(x)=9x2−6x+3f(x)=\sqrt{9x^2-6x+3}

と定義される関数 ff のグラフを CC とする。x→+∞x\to+\infty で CC が斜め漸近線をもつことを示し、その方程式を求め、その直線に対する CC の位置を判定せよ。

Step-by-step solution

  1. まず無限大での振る舞いを確認する。 根号の中身 9x2−6x+39x^2-6x+3 は最高次の係数が正で判別式が 36−108=−72<036-108=-72<0 なので、すべての実数 xx で正であり、ff は R\mathbb{R} 全体で定義される。x→+∞x\to+\infty では中身が →+∞\to+\infty なので f(x)→+∞f(x)\to+\infty であり、グラフは上方へ逃げていく。したがってあり得る漸近線は斜めの直線だけである。

  2. 根号の中を平方完成する。 xx の項から 99 をくくり出すと:

    9x2−6x+3=9(x2−23x)+3=9(x−13)2−1+39x^2-6x+3=9\left(x^2-\frac{2}{3}x\right)+3=9\left(x-\frac{1}{3}\right)^2-1+3

    であり、9(x−13)2=(3x−1)29\left(x-\tfrac13\right)^2=(3x-1)^2 なので

    9x2−6x+3=(3x−1)2+29x^2-6x+3=(3x-1)^2+2

    となる。この標準形が決め手で、根号の中に隠れていた1次関数が露わになる。

  3. 標準形から漸近線を予想する。

    f(x)=(3x−1)2+2f(x)=\sqrt{(3x-1)^2+2}

    と書くと、xx が大きいとき +2+2 は (3x−1)2(3x-1)^2 に比べて無視できるので、x>13x>\tfrac13 では f(x)≈∣3x−1∣=3x−1f(x)\approx|3x-1|=3x-1 である。したがって漸近線の候補は

    Δ: y=3x−1\Delta:\ y=3x-1

  4. 共役をかける手法で証明する。 h(x)=f(x)−(3x−1)h(x)=f(x)-(3x-1) と置く。これは ∞−∞\infty-\infty の形なので、共役を掛けて割る:

    h(x)=[(3x−1)2+2]−(3x−1)2(3x−1)2+2+(3x−1)=2(3x−1)2+2+(3x−1)h(x)=\frac{\left[(3x-1)^2+2\right]-(3x-1)^2}{\sqrt{(3x-1)^2+2}+(3x-1)}=\frac{2}{\sqrt{(3x-1)^2+2}+(3x-1)}

    分子は定数 22 のまま、分母は →+∞\to+\infty なので、

    lim⁡x→+∞[f(x)−(3x−1)]=0\lim_{x\to+\infty}\bigl[f(x)-(3x-1)\bigr]=0

    となる。これはまさに y=3x−1y=3x-1 が +∞+\infty において CC の漸近線であることの定義である。

  5. hh の符号から曲線の位置を読む。 x>13x>\tfrac13 では分母の2つの項がどちらも正なので、

    h(x)=2(3x−1)2+2+(3x−1)>0h(x)=\frac{2}{\sqrt{(3x-1)^2+2}+(3x-1)}>0

    である。したがって f(x)>3x−1f(x)>3x-1 であり、曲線は漸近線の上側にあって上から近づき、決して接することはない。

  6. まとめと、もう一方の端について。

    y=3x−1  が +∞  での漸近線であり、C は Δ の上側\boxed{y=3x-1\ \text{ が }+\infty\ \text{ での漸近線であり、C は }\Delta \text{ の上側}}

    数値で見ると f(10)−29=0.0345f(10)-29=0.0345、f(104)−29999=3.33×10−5f(10^4)-29999=3.33\times 10^{-5} で、13x\tfrac{1}{3x} のように縮んでいく。∣3x−1∣=1−3x|3x-1|=1-3x として同じ計算をすれば、−∞-\infty での漸近線は y=−3x+1y=-3x+1 で、やはり曲線はその上側にある。

Answer

y=3x−1 (曲線は漸近線の上側にある)y=3x-1\ \text{(曲線は漸近線の上側にある)}

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