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。
全プロセスの詳細解説
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√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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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参考文献 (2)
- The standard statement of the four moves, including the order the page's claim 2 turns on: in f(bx − h), shift by h first and then stretch by 1/b; in f(b(x − h)), stretch first and then shift by h: Jay Abramson, "1.5 Transformation of Functions." Precalculus 2e, OpenStax, Houston, Texas, 2021. CC BY-NC-SA 4.0.
- That the rightward shift of y = (x − 3)² is counterintuitive to most of the secondary students and teachers asked about it, the observation insight 1 quotes: R. Zazkis, P. Liljedahl and K. Gadowsky, "Conceptions of function translation: obstacles, intuitions, and rerouting." The Journal of Mathematical Behavior 22(4), 2003, pp. 435-448. DOI 10.1016/j.jmathb.2003.09.003