関数 $f(x) = 2x^2 + 3mx - 2m$ について、区間 $0 \le x \le 1$ における最小値を $g$ とするとき、$g$ を $m$ を用いて表せ。また、$m$ の値がすべての実数を変化するとき、$g$ の最大値を求めよ。

解析学二次関数最大値最小値平方完成場合分け
2025/8/15

1. 問題の内容

関数 f(x)=2x2+3mx2mf(x) = 2x^2 + 3mx - 2m について、区間 0x10 \le x \le 1 における最小値を gg とするとき、ggmm を用いて表せ。また、mm の値がすべての実数を変化するとき、gg の最大値を求めよ。

2. 解き方の手順

まず、関数 f(x)f(x) を平方完成する。
f(x)=2(x2+32mx)2m=2(x+34m)22(34m)22m=2(x+34m)298m22mf(x) = 2(x^2 + \frac{3}{2}mx) - 2m = 2(x + \frac{3}{4}m)^2 - 2(\frac{3}{4}m)^2 - 2m = 2(x + \frac{3}{4}m)^2 - \frac{9}{8}m^2 - 2m
x=34mx = -\frac{3}{4}m の位置によって最小値が変わる。
(i) 34m<0-\frac{3}{4}m < 0 つまり m>0m > 0 のとき
もし 34m-\frac{3}{4}m が区間 0x10 \le x \le 1 に含まれていれば(034m10 \le -\frac{3}{4}m \le 1 つまり 43m0-\frac{4}{3} \le m \le 0)、最小値は頂点の x=34mx = -\frac{3}{4}m のときであり、g=98m22mg = -\frac{9}{8}m^2 - 2m となる。
m>0m > 0 なので、34m<0-\frac{3}{4}m<0の場合を考える。このとき、f(x)f(x) は区間 [0,1][0, 1] で単調増加である。最小値は f(0)=2mf(0) = -2m となる。
よって、g=2mg = -2m
(ii) 034m10 \le -\frac{3}{4}m \le 1 つまり 43m0-\frac{4}{3} \le m \le 0 のとき
最小値は頂点の x=34mx = -\frac{3}{4}m のときであり、g=98m22mg = -\frac{9}{8}m^2 - 2m となる。
(iii) 34m>1-\frac{3}{4}m > 1 つまり m<43m < -\frac{4}{3} のとき
f(x)f(x) は区間 [0,1][0, 1] で単調減少である。最小値は f(1)=2+3m2m=m+2f(1) = 2 + 3m - 2m = m + 2 となる。
よって、g=m+2g = m + 2
したがって、
$g(m) = \begin{cases}
m+2 & (m < -\frac{4}{3}) \\
-\frac{9}{8}m^2 - 2m & (-\frac{4}{3} \le m \le 0) \\
-2m & (m > 0)
\end{cases}$
g(m)g(m) の最大値を求める。
m<43m < -\frac{4}{3} のとき、g(m)=m+2<43+2=23g(m) = m+2 < -\frac{4}{3} + 2 = \frac{2}{3}
43m0-\frac{4}{3} \le m \le 0 のとき、g(m)=98m22m=98(m2+169m)=98((m+89)26481)=98(m+89)2+89g(m) = -\frac{9}{8}m^2 - 2m = -\frac{9}{8}(m^2 + \frac{16}{9}m) = -\frac{9}{8}((m + \frac{8}{9})^2 - \frac{64}{81}) = -\frac{9}{8}(m + \frac{8}{9})^2 + \frac{8}{9}
m=89m = -\frac{8}{9} のとき、最大値 89\frac{8}{9} をとる。
m>0m > 0 のとき、g(m)=2m<0g(m) = -2m < 0
したがって、gg の最大値は 89\frac{8}{9} である。

3. 最終的な答え

$g = \begin{cases}
m+2 & (m < -\frac{4}{3}) \\
-\frac{9}{8}m^2 - 2m & (-\frac{4}{3} \le m \le 0) \\
-2m & (m > 0)
\end{cases}$
gg の最大値: 89\frac{8}{9}

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