関数 $y = (x-a)^2 + 1$ の $-4 \le x \le 0$ における最大値を求める問題です。ただし、$a$ の値によって最大値をとる $x$ の値が変わるので、$a$ の範囲によって場合分けして考えます。

代数学二次関数最大値場合分け放物線
2025/3/23

1. 問題の内容

関数 y=(xa)2+1y = (x-a)^2 + 14x0-4 \le x \le 0 における最大値を求める問題です。ただし、aa の値によって最大値をとる xx の値が変わるので、aa の範囲によって場合分けして考えます。

2. 解き方の手順

まず、関数 y=(xa)2+1y = (x-a)^2 + 1 は、下に凸の放物線であり、軸は x=ax=a です。定義域が 4x0-4 \le x \le 0 なので、軸の位置によって最大値をとる xx の値が変わります。
* i) a<4a < -4 のとき:軸が定義域の左側にあるため、x=0x=0 で最大値をとります。最大値は y=(0a)2+1=a2+1y = (0-a)^2 + 1 = a^2 + 1 となります。
* ii) 0a0 \le a のとき:軸が定義域の右側にあるため、x=4x=-4 で最大値をとります。最大値は y=(4a)2+1=(a+4)2+1=a2+8a+16+1=a2+8a+17y = (-4-a)^2 + 1 = (a+4)^2 + 1 = a^2 + 8a + 16 + 1 = a^2 + 8a + 17 となります。
* iii) 4a0-4 \le a \le 0のとき: 軸が定義域内にあるため、x=4x=-4またはx=0x=0で最大値をとる。x=4x=-4のとき、y=(4a)2+1=a2+8a+17y=(-4-a)^2 + 1 = a^2 + 8a + 17x=0x=0のとき、y=(0a)2+1=a2+1y=(0-a)^2+1=a^2+1
2つの値を比較すると、a2+8a+17(a2+1)=8a+16=8(a+2)a^2 + 8a + 17 - (a^2 + 1) = 8a + 16 = 8(a+2)
よって、
* 4a<2-4 \le a < -2 のとき: 8(a+2)<08(a+2) < 0なので、最大値は a2+1a^2 + 1x=0x=0)。
* a=2a = -2 のとき: 8(a+2)=08(a+2) = 0なので、最大値は a2+1=a2+8a+17=5a^2 + 1 = a^2 + 8a + 17 = 5x=0x=0x=4x=-4)。
* 2<a0-2 < a \le 0 のとき: 8(a+2)>08(a+2) > 0なので、最大値は a2+8a+17a^2 + 8a + 17x=4x=-4)。
したがって、以下のようにまとめられます。
* i) a<4a < -4 のとき、 x=0x = 0 で最大値 a2+1a^2 + 1 をとります。
* ii) 4a2-4 \le a \le -2 のとき、x=0x = 0 で最大値 a2+1a^2 + 1 をとります。
* iii) 2a0-2 \le a \le 0 のとき、x=4x = -4 で最大値 a2+8a+17a^2 + 8a + 17 をとります。
* iv) 0a0 \le a のとき、x=4x = -4 で最大値 a2+8a+17a^2 + 8a + 17 をとります。
ii)とiii)とiv)をまとめると、2a-2 \le a のとき、x=4x = -4 で最大値 a2+8a+17a^2 + 8a + 17 をとります。
また、ii)とiii)をまとめると、4a0-4 \le a \le 0 の範囲をさらに分割して、4a<2-4 \le a < -2 のとき、x=0x = 0で最大値 a2+1a^2 + 12a0-2 \le a \le 0 のとき、x=4x = -4で最大値 a2+8a+17a^2 + 8a + 17 となります。

3. 最終的な答え

i) a<4a < -4 のとき、x=0x = 0 で最大値 a2+1a^2 + 1
ii) 4a0-4 \le a \le 0のとき、x=4x=-4で最大値a2+8a+17a^2+8a+17
iii) 0<a0 < aのとき、x=4x=-4で最大値a2+8a+17a^2+8a+17
最終的な答え(空欄を埋める形式で):
i) a<4a < -4 のとき、x=0x=0 で最大値 a2+1a^2+1
ii) 4a0-4 \leq a \leq 0 のとき、x=4x = -4 で最大値 a2+8a+17a^2 + 8a + 17
または、
i) a<4a < -4 のとき、x=0x = 0 で最大値 a2+1a^2+1
ii) 4a<2-4 \leq a < -2 のとき、x=0x = 0 で最大値 a2+1a^2+1
iii) 2a0-2 \leq a \leq 0 のとき、x=4x = -4 で最大値 a2+8a+17a^2+8a+17
など。
(問題文からして恐らく最初の答えが求められている。)

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