グラフの変換:平行移動、拡大縮小、反転

基本グラフを選び、y = a·f(bx + c) + d の四つの数値を設定してください。移動前のグラフを薄く、移動後の曲線を実線で描き、各注目点には移動先への矢印を添えます。さらに、それぞれの点の平行移動量、拡大縮小率、移動先の座標を計算します。

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レッスン

理論 — グラフの変換:平行移動、拡大縮小、反転

グラフの変換とは、グラフ上のすべての点を同じ規則に従って移動させることです。y = a·f(bx + c) + d において、y = f(x) 上の点 (p, q) は ((p − c)/b, a·q + d) へ移動します。括弧の内側にある二つの数 b と c は関数 f が適用される前に x に対して働き、グラフを横方向へ動かします。そのx軸方向の平行移動量は −c/b であり、横幅は 1/b 倍になります。外側にある二つの数 a と d は f が適用された後の高さに対して働き、グラフを上下に動かします。

各記号の意味

a
y軸方向の拡大縮小率。a が負の場合、グラフは x軸を軸として反転します
b
括弧内で x に掛けられる数。横幅は 1/b 倍になり、b が負の場合、グラフは y軸を軸として反転します
c
括弧内で bx に足される数
d
y軸方向の平行移動
h
x軸方向の平行移動 −c/b(括弧の中が 0 になる x の値)
前提
数式は記載されている順序で読み解かれます。まず bx + c が計算され、次に関数 f、その次に a の掛け算、最後に d の足し算が行われます。もし a·(f(bx + c) + d) のように書かれた場合、曲線は d ではなく a·d だけ持ち上げられます。
成り立たない場合
これら四つの数によって、グラフの各方向への平行移動、拡大縮小、反転を行うことができますが、それ以外の操作はできません。グラフを回転させることは不可能です。半回転未満の角度で回された放物線は、もはや x の関数のグラフではありません。十分に遠くまで行くと、垂直な線がグラフと二度交わることになるからです。

括弧内のマイナス記号はグラフを右へ動かす 🖖

(x − 3)² を押してみてください。すべての矢印は右を向き、頂点は (3, 0) に移動します。2003年にリナ・ザズキス(Rina Zazkis)と二人の同僚が中高生と教師にこの放物線について尋ねたとき、大多数がこの右方向への移動を直感に反すると感じていました。新しい曲線の x での値は、x² の x − 3 での値と同じです。そのため、x − 3 = 0、つまり x = 3 になって初めて放物線の最小値に到達します。これは元のグラフが 3 単位遅れて到着している状態です。括弧の中で x に加えられた操作は関数 f が適用される前に起こるため、グラフにはその操作を打ち消す動きが現れます。3 を引けばグラフは逆方向へ 3 移動します。sin 2x のように 2 を掛けると、グラフは 2 倍の早さで到達することになります。その結果、すべての横幅は半分になり、正弦波の 2π (6.2832) の点は 3.1416 に移動します。外側にある二つの数 a と d は、f が適用された後の高さに対して働き、見たままの通りの効果をもたらします。

√(2x − 6) の 6 は平行移動量ではない 🖖

2√(2x − 6) + 1 を押してみてください。曲線は x = 3 から始まります。平方根は根号の中が 0 になるところから始まるため、2x − 6 が 0 になるのは 6 ではなく 3 のときです。まず括弧の中を因数分解して 2x − 6 = 2(x − 3) とすると、括弧の中に残った数が平行移動量になります。結果表の最初の行はまさにそれを行っており、−c/b = −(−6)/2 と計算しています。数式から移動を読み取る正しい方法は二つあります。グラフを右へ 6 移動させてから y軸に向かって横幅を半分に圧縮する方法(これで始点は 6 から 3 に引き寄せられます)、あるいは、先に圧縮してから 3 だけ移動させる方法です。誤った読み取り方は、書かれている順序のまま数値を受け取り、圧縮した後に 6 移動させてしまうことです。

(2x)² と 4x² は同じ曲線である 🖖

(2x)² を押してみてください。グラフは横幅が半分に圧縮された放物線であり、結果表の最後の行ではこれを高さを 4 倍に引き伸ばした放物線 4x² として記述しています。(2x)² = 2²·x² であるため、これらは一つの曲線です。b > 0 の場合、同じ等式 (bx)ⁿ = bⁿxⁿ がすべての累乗で成り立ちます。したがって、x²、|x|、x³、√x、1/x では、横方向の拡大縮小はすべて縦方向の拡大縮小に変換でき、どちらの移動が行われたかはグラフに記録されません。指数関数ではもう一方の移動を変換できます。2ˣ⁺³ は 2ˣ を左に 3 移動させたものですが、2ˣ⁺³ = 2³·2ˣ であるため 8·2ˣ でもあります。正弦波(sin)はこのページにある基本グラフの中で唯一、どちらの変換もできません。正弦波を圧縮したり、π の倍数以外で平行移動したりすると零点が動きますが、縦方向の拡大縮小ではすべての零点は元の位置から動かないからです。

全プロセスの詳細解説

  1. √x を (3, 1) から始まり (5, 5) を通るように移動させる 4 ステップ

    y = a√(bx + c) + d が (3, 1) から始まり (5, 5) を通るように、a、b、c、d を求めてください。また、答えがいくつあるかも答えてください。2√(2x − 6) + 1 を押して、答えの一つを確認してみましょう。

    この問題をツールで開く

    1. 平方根は根号の中が 0 になるところから始まり、そのときの高さは d になります。根号の中は x = 3 で 0 になる必要があるため c は −3b に決まり、始点の高さから d は 1 に決まります。

    2. 次に二つ目の点です。x = 5 のとき根号の中は 5b − 3b = 2b となるため、条件は a√(2b) + 1 = 5 となります。これは二つの未知数に対する一つの方程式です。

    3. b = 2 を選ぶと、方程式から a = 2、c = −6 となり、これはプリセットの設定です。b = 1 を選ぶと a = 4/√2 = 2.8284、c = −3 となり、これはプリセットの結果表の最後の行に表示される曲線です。

    4. これらが一致するのは √(bx − 3b) = √b·√(x − 3) だからです。つまり、この条件を満たす曲線のまとまりはすべて a√b·√(x − 3) + 1 の形をしており、二つ目の点は積 a√b を 2√2 に確定させることしかできません。

    解答

    四つの数の組み合わせは無数にありますが、曲線は一つだけです。b > 0 であればどんな値でも成り立ち、a = 2√2/√b、c = −3b、d = 1 となります。例えば b = 8 とすると、a = 1 となり y = √(8x − 24) + 1 になります。√16 = 4 であるため、この曲線は (5, 5) を通ります。「a と b を求めよ」という問いに対しては単一の答えはありませんが、「曲線を求めよ」という問いに対する答えは 2.8284√(x − 3) + 1 の一つだけです。

参考文献 (2)