2次関数とそのグラフの練習問題(全16問・解答つき)

数学I「2次関数とそのグラフ」(関数と方程式・不等式)の練習問題を16問まとめました。解答は各問のすぐ下に折りたたんであります。そのまま印刷すれば、解答の見えない問題プリントになります。

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問題1放物線を描く~その1~

次の放物線は、内のグラフをどのように平行移動してできたグラフか。また、軸の方程式と頂点の座標を求め、座標平面にグラフで表せ。

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  1. x軸とy軸からなる座標平面上に、下に凸の放物線y=2x^2-3が描かれている。頂点はy軸上にあり、そのy座標である-3の位置に黒丸が付されている。

    は のグラフを

    軸方向に 平行移動したグラフ

    であるから

    軸は 軸(または直線 )、頂点の座標は

    である。また、これは下に凸な放物線であるから、グラフは次の図のようになる。

  2. 座標平面上に、x軸上の点-2を頂点とする下に凸な放物線y=2(x+2)^2が描かれている。原点Oより左側でx軸に接し、y軸の正の部分を通過している。

    は のグラフを

    軸方向に 平行移動したグラフ

    であるから

    軸は 、頂点の座標は

    である。また、これは下に凸な放物線であるから、グラフは次の図のようになる。

  3. は のグラフを

    座標平面上に、y軸上の点(0, -1)を頂点とする上に凸な放物線 y=-3x^2-1 が描かれている。y軸上の頂点に黒点と-1の目盛りが付いている。

    軸方向に 平行移動したグラフ

    であるから

    軸は 軸(または直線 )、頂点の座標は

    である。また、これは上に凸な放物線であるから、グラフは次の図のようになる。

  4. x軸上の点(4, 0)を頂点とする、上に凸な放物線y=-3(x-4)^2が座標平面に描かれている。x軸上の頂点には黒丸と4の数字が付されている。

    は のグラフを

    軸方向に 平行移動したグラフ

    であるから

    軸は 、頂点の座標は

    である。また、これは上に凸な放物線であるから、グラフは上の図のようになる。

問題2放物線を描く~その2~

次の放物線を、頂点の座標を求めてから描け。

解答を見る
  1. x軸とy軸のある座標平面に、下に凸の放物線 y=x^2-2x+3 が描かれている。頂点の座標は(1, 2)であり、y軸とは(0, 3)で交わっている。

    平方完成すると となるから、頂点が で、下に凸な放物線であるから、グラフは次の図のようになる。

  2. 座標平面上に、原点Oを通る上に凸な放物線y=-3x^2+6xがある。頂点は(1, 3)で、x軸の1とy軸の3から伸ばした点線の交点に黒丸で示されている。

    平方完成すると となるから、頂点が で、上に凸な放物線であるから、グラフは次の図のようになる。

  3. 座標平面上に、頂点が点(-2, -3)で下に凸の放物線y=2x^2+8x+5が描かれている。この放物線はy軸とy座標が5の点で交わっている。

    平方完成すると となるから、頂点が で、下に凸な放物線であるから、グラフは次の図のようになる。

  4. 座標平面上に、頂点が点(-3/2, 2)であり、y軸とy=-5/2の点で交わる上に凸な放物線y=-2x^2-6x-5/2が描かれている。

    平方完成すると となるから、頂点が で、上に凸な放物線であるから、グラフは上の図のようになる。

問題32次関数グラフの平行移動〜その1〜

とし、放物線 を とよぶ。

  1. を 軸方向に 平行移動したグラフ の式を求めよ。
  2. を 軸方向に 平行移動したグラフ の式を求めよ。
解答を見る

平方完成をすると、 となるので、頂点の座標は とわかる。

  1. 頂点が となればよいので
  2. 頂点が となればよいので

頂点(1, 1)をもつ実線の放物線 C から、y軸方向に 1 平行移動した点線の放物線 (1) と、x軸方向に 2 平行移動した点線の放物線 (2) が描かれている。 上の例題を別の見方でとらえてみよう。

たとえば、 上の各点 において、問題とは逆向きに 軸方向に 平行移動した点 は 上の点だから として答えを求めることができる。

このようなやり方は、 軸方向への平行移動でも実行できる。上の例題の2で各自それを確かめてみよ。

問題42次関数グラフの平行移動〜その2〜

放物線 を、 軸方向に 、 軸方向に だけ平行移動して得られる放物線の方程式を求めよ。

解答を見る

を 、 を におきかえて

問題52次関数グラフの対称移動〜その1〜

とし、放物線 を とよぶ。

  1. を 軸に関して対称移動したグラフ の式を求めよ。
  2. を 軸に関して対称移動したグラフ の式を求めよ。
  3. を原点に関して対称移動したグラフ の式を求めよ。
解答を見る

平方完成をすると、 となるので、頂点の座標は とわかる。

  1. 頂点が となり、上に凸なグラフになればよいので
  2. 頂点が となればよいので
  3. 頂点が となり、上に凸なグラフになればよいので

頂点(1, 1)で下に凸の放物線Cと、これをx軸、y軸、原点に関して対称移動した破線の放物線C_x、C_y、C_xyが描かれており、各頂点は点線で結ばれている。 上の例題を別の見方でとらえてみよう。

たとえば、 上の各点 において、問題とは逆に 軸に関して対称移動した点 は 上の点だから として答えを求めることができる。

x軸に関して対称な、下に凸の放物線Cと上に凸の破線の放物線Cxがある。C上の点Q(x, -y)とCx上の点P(x, y)が、x軸を挟んで等しい距離の垂直な線で結ばれている。 このようなやり方は、 軸に関する対称移動でも実行できる。上の例題の2と3で各自それを確かめてみよ。

問題62次関数グラフの対称移動〜その2〜

放物線 を、次の直線または点に関して、それぞれ対称移動して得られる放物線の方程式を求めよ。

  1. 軸
  2. 軸
  3. 原点
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  1. を におきかえて
  2. を におきかえて
  3. を に、 を におきかえて

一般のグラフの平行移動と対称移動については、『グラフの移動について』を参照のこと。

問題7頂点や軸に関する条件が与えられた場合

グラフが次の条件を満たす2次関数を求めよ。

  1. 頂点が で、点 を通る。
  2. 軸が直線 で、2点 、 を通る。
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  1. グラフの頂点が であるから、求める2次関数は と表せる。さらに、このグラフは点 を通るから、 のとき となる。したがって よって、求める2次関数は 、つまり

  2. 軸が直線 であるから、求める2次関数は と表せる。さらに、このグラフは2点 、 を通るから この連立方程式を解いて、 、 を得る。

    よって、求める2次関数は 、つまり

問題8グラフ上の3点が与えられた場合

グラフが3点 、 、 を通るような2次関数を求めよ。

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求める2次関数を とおく。このグラフは、3点 、、 を通るから を得る。以下、3つの文字を含むこの連立方程式を解く。 まず、 より、 、よって さらに、 より、 、よって 、 の連立方程式を解いて 、 。さらに、これらを に代入して を得る。 よって、求める2次関数は

問題92次関数の最大・最小〜その1〜

2次関数 において、定義域を次の1~5としたときの、最大値・最小値をそれぞれ求めよ。

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平方完成によって と変形できる。

そこで のグラフを、与えられた定義域内で描いて考える。

  1. 放物線 y=(x-1)^2-3 のうち、-2≦x≦0 の部分が実線、頂点(1, -3)を含むその他の部分が破線で描かれており、端点の座標 (-2, 6) と (0, -2) が示されている。

    定義域が の場合、 のグラフは上の図の実線部分となるので

    • 最大値
    • 最小値

    となる。

  2. 2次関数 y=(x-1)^2-3 のグラフで、-1≦x≦2 の範囲が実線、その他が破線で描かれている。実線部分は点 (-1, 1) から始まり、頂点 (1, -3) を通って点 (2, -2) まで続いている。

    定義域が の場合、 のグラフは上の図の実線部分となるので

    • 最大値
    • 最小値

    となる。

  3. 座標平面上に2次関数 y=(x-1)^2-3 の放物線がある。xが0以上2以下の範囲のみ実線で、頂点(1,-3)と両端の点(0,-2)、(2,-2)を通る下に凸の曲線が描かれ、その他の部分は破線になっている。

    定義域が の場合、 のグラフは上の図の実線部分となるので

    • 最大値
    • 最小値

    となる。

  4. 2次関数 y=(x-1)^2-3 のグラフのうち、xが0から3までの範囲が実線で描かれている。実線部分は y軸上の端点(0, -2)から頂点(1, -3)を通り、端点(3, 1)に至る。

    定義域が の場合、 のグラフは上の図の実線部分となるので

    • 最大値
    • 最小値

    となる。

  5. 放物線 y=(x-1)^2-3 が破線で描かれ、xが3以上4以下の範囲に対応する点 (3, 1) から点 (4, 6) までの放物線の一部が実線で強調されている。

    定義域が の場合、 のグラフは上の図の実線部分となるので

    • 最大値
    • 最小値

    となる。

問題102次関数の最大・最小〜その2〜

1~4の全ての2次関数について定義域が であるとき、最大値・最小値をそれぞれ求めよ。

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  1. 2次関数 y=x^2+4x-3 のグラフで、xが-1から2までの部分が実線、他は破線で描かれている。実線は点(-1, -6)から点(2, 9)まで右上がりに伸びている。

    を平方完成すると 定義域が の場合、 のグラフは上の図の実線部分となるので

    • 最大値
    • 最小値

    となる。

  2. 放物線 y=-x^2-x-2 のうち、-1≦x≦2 の部分が実線で描かれている。頂点の y座標 -7/4 を含み、右端の点 (2, -8) は黒丸で表され、範囲外は破線になっている。

    を平方完成すると 定義域が の場合、 のグラフは上の図の実線部分となるので

    • 最大値
    • 最小値

    となる。

  3. 2次関数 y=1/2 x^2-x-3 のグラフで、-1≦x≦2 の範囲が実線、それ以外の部分が破線で描かれている。x=-1 のときの y=-3/2 や、頂点 (1, -7/2) が点線で示されている。

    を平方完成すると 定義域が の場合、 のグラフは上の図の実線部分となるので

    • 最大値
    • 最小値

    となる。

  4. 上に凸の放物線 y=-3x^2+12x-5 が描かれている。xが-1から2までの範囲は実線で、点(-1, -20)と頂点(2, 7)が黒丸で示され、その他の部分は破線になっている。

    を平方完成すると 定義域が の場合、 のグラフは上の図の実線部分となるので

    • 最大値
    • 最小値

    となる。

下に凸の放物線について、定義域の異なる5つのグラフが並んでいる。定義域を表す実線部ごとに、最大となる点に黒の三角、最小となる点に黒の丸が示されている。

問題11文字定数を含む2次関数の形の判別

放物線 について以下の問に答えよ。

  1. の軸が定義域より左側にあるための、 の範囲を求めよ。また、定義域内における の最大値、最小値を求めよ。
  2. の軸が定義域より右側にあるための、 の範囲を求めよ。また、定義域内における の最大値、最小値を求めよ。
  3. の軸が定義域の中にあるための、 の範囲を求めよ。また、この範囲のうち、定義域の左端で が最大となるような の範囲を求め、このときの の最大値、最小値を求めよ。
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の右辺を平方完成すると となるので、このグラフの軸は である。

  1. 軸 x=2a が x=-5 より左側にあり、放物線の x=-5 から x=5 までの部分が実線で描かれている。曲線は x=-5 で黒丸となり、右上がりに増加して x=5 で矢印となっている。

    放物線の軸 が定義域の左端 よりさらに左にあればよい。よって

    • 座標が最大となるのは定義域の右端なので、最大値 ( のとき)
    • 座標が最小となるのは定義域の左端なので、最小値 ( のとき)
  2. 下に凸の放物線があり、軸 x=2a は定義域の右端 x=5 の右側にあります。x=-5 から x=5 までの実線部分は右下がりで、x=-5 の点に黒い三角印、x=5 の点に黒い丸印が付いています。

    放物線の軸 が定義域の右端 よりさらに右にあればよい。

    • 座標が最大となるのは定義域の左端なので、最大値 ( のとき)
    • 座標が最小となるのは定義域の右端なので、最小値 ( のとき)
  3. 下に凸の放物線において、x=-5とx=5の点線の間に軸x=2aがある。定義域内のグラフは実線で、x=-5の位置に黒い上向き三角印、軸上の頂点に黒丸印が描かれている。

    放物線の軸 が定義域の中にあるためには さらに、定義域の左端で 座標が最大となるには、軸が定義域の右半分に存在すればよい。つまり

    • 座標が最大となるのは定義域の左端なので、最大値 ( のとき)
    • 座標が最小となるのは の頂点なので、最小値 ( のとき)

問題122次関数の最大・最小(文字定数を含む場合)

2次関数 について以下の問に答えよ。ただし、 とする。

  1. 最小値を求めよ。
  2. 最大値を求めよ。
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を平方完成して となるので、このグラフをもとに問に答える。

    1. 2次関数 y=(x-2)^2+1 の放物線において、xが0から2より小さいaまでの部分が実線で描かれている。x=aのときの点 (a, f(a)) は黒丸で表され、実線部分の中で最も低い位置にある。

      のとき におけるこの関数のグラフは、次の図の放物線の実線部分となる。この定義域内では、関数の値は減少するから、最小値は となる。

    2. 放物線 y=(x-2)^2+1 の 0≦x≦a の部分が実線で描かれている。a は軸 x=2 の右側に位置し、グラフは最小値をとる頂点 (2, 1) を含んでいる。

      のとき におけるこの関数のグラフは、上の図の放物線の実線部分となる。この場合には、定義域内に軸 が含まれるから、最小値は となる。

    以上i、iiをまとめると

    • のとき、最小値
    • のとき、最小値
    1. 放物線y=(x-2)^2+1の0≦x≦aの部分が実線で描かれている。x=0のときy=5、x=2で最小値1、x=aでy=f(a)となり、x=4のときy=5となる点が点線で示されている。

      のとき におけるこの関数のグラフは、次の図の放物線の実線部分となる。この場合には、定義域の両端の 座標を比べると、左端の方が大きい。よって、最大値は となる。

    2. 下に凸の放物線 y=(x-2)^2+1 の、xが0からaまでの部分が実線で描かれている。xが4より大きいaのとき、y座標f(a)はx=0のときの値5よりも高く、最大値となっている。

      のとき におけるこの関数のグラフは、上の図の放物線の実線部分となる。この場合には、定義域の両端の 座標を比べると、右端の方が大きい( のときは両端が等しい)。よって、最大値は となる。

    以上i、iiをまとめると

    • のとき、最大値
    • のとき、最大値

問題132次関数の応用

  1. 長さ の針金を2つに切り、それぞれの針金で正方形を作るとき、それらの面積の和の最小値を求めよ。また、そのとき針金は何 ずつに切り分けられているか求めよ。
  2. ある品物の売価が1個 円のときには、1日の売上個数は 個であるという。売価を1個につき1円値上げするごとに、1日の売上個数は 個ずつ減るという。1日の売上金額を最大にするには、売価をいくらに設定すればよいか求めよ。
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  1. の針金を、 と に切り分けたとする。ただし、 とする。

    それぞれの針金から作られる正方形の面積は となるから、これら2つの正方形の面積の和を とすると となる。ここで、 は

    y=f(x) のグラフは 0<x<5 の範囲で下に凸な放物線である。頂点は x=5/2, y=f(5/2) の黒丸で、両端の x=0 と x=5 では y=25 の白丸として描かれている。

    と変形できるから、 のグラフは で上の図のようになる。

    これより最小値は であるから、面積の和の最小値は であり、 のとき最小値となるのだから、針金は ずつに切り分けられる。

  2. 売価を1個 円( )とすると、 円より 円値上げしたことになる。その結果、1日の売上個数は、 個減る。ここで、値上げを考えているので であり、また、1日の売上個数 は 以上でなければならないから である。

    よって、1日の売上金額 は となる。ここで、 は

    座標平面上に上に凸な放物線 y=f(x) があり、120≦x≦320 の範囲が実線で示されている。頂点は x=160、y=f(160) の点にあり、グラフの最大点となっている。

    と変形できるから、 のグラフは で上の図のようになる。

    これより、最大値は をとるには、 。つまり、売価を 円にすればよい。

問題14条件をもつ2次関数の最大・最小

、 、 のとき、 の最大値・最小値と、そのときの 、 を求めよ。

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を について解けば 。これを に代入すれば であり、さらに、 に代入すれば である。つまり、 のときに、2次関数 の最大・最小を求めればよい。この2次関数を とおいて平方完成すると そこでグラフ を描けば、次の図のようになり、 の最大値は 、最小値は とわかる。

のとき 、 のとき であるから、答えは次のようになる。

  • のとき最大値
  • のとき最小値
横軸x、縦軸Lの座標平面に、下に凸の放物線 L=5(x-4)^2+17 が描かれている。xが0から5の範囲が実線で示され、端点(0, 97)に黒三角、頂点(4, 17)に黒丸が付いている。

問題15式の一部を文字でおく

関数 について以下の問に答えよ。

  1. とするとき、 の値のとりうる範囲を求めよ。
  2. の値のとりうる範囲を求めよ。
解答を見る
  1. 横軸にx軸、縦軸にt軸をとった座標平面に、頂点が点(1, -1)で下に凸の放物線 t=x^2-2x が描かれている。グラフは原点Oを通る。

    平方完成によって であるので、上の図より 。

  2. を で表し平方完成すれば

    横軸をt、縦軸をyとする座標平面に、関数 y=t^2+4t+5 のグラフが描かれている。t=-1 以上の部分は端点 (-1, 2) から始まる実線で、tが -1 より小さい部分は破線で描かれている。

    となる。1より であるので、 に対する のグラフは上の図のようになる。つまり、 。

問題16 軸との共有点の個数の判別

2次関数 のグラフと 軸との共有点の個数は、定数 の値によってどのように変わるか調べよ。

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2次関数 の判別式を とすると

  1. 、つまり のとき

    となり、グラフは 軸と異なる2点で交わる。

  2. 、つまり のとき

    となり、グラフは 軸と接する。

  3. 、つまり のとき

    となり、グラフは 軸と共有点をもたない。

以上i~iiiより、共有点の個数は次のようになる。

  • のとき 個
  • のとき 個
  • のとき 個
座標平面上に、下に凸の3つの放物線が描かれている。k=-2のグラフはx軸と2点で交わり、k=-1/2のグラフはx軸と接し、k=1のグラフはx軸と共有点をもたない。