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相加相乗で x + 4/x の最小値

📖 言葉で読む:相加平均と相乗平均の関係(相加相乗平均) →
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① 考えてみよう

x>0x > 0 のとき、x+4/xx + 4/x はいちばん小さくていくつになるかな?手がかりに、たて 4/x4/x・横 xx の長方形を作るよ。いまは横4・たて1だね。

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  1. ① 考えてみよう
  2. 1

    x>0x > 0 のとき、x+4/xx + 4/x はいちばん小さくていくつになるかな?手がかりに、たて 4/x4/x・横 xx の長方形を作るよ。いまは横4・たて1だね。

  3. 2

    xx を変えると長方形の形は変わるけど、じつは変わらない量がひとつあって、それが最小値を見ぬくカギになるんだ。最小値はいくつになると思う?

  4. ② 考え方
  5. 3

    この長方形の面積は x×(4/x)=4x \times (4/x) = 4。xx をどう変えても 4 のまま一定なんだ。掛け算だと xx が消えてくれる、これがカギだよ。

  6. 4

    面積が一定なら、同じ面積の正方形(緑)の一辺も一定。一辺は 4=2\sqrt{4} = 2。これが相乗平均 x⋅4/x\sqrt{x \cdot 4/x} で、ずっと 2 から動かないよ。

  7. 5

    知りたい和 x+4/xx + 4/x は、相加平均 (x+4/x)/2(x+4/x)/2 の2倍。長方形は役目を終えたので消して、一辺 (x+4/x)/2(x+4/x)/2 の正方形(赤)を作ると…緑よりはみ出してるね。

  8. 6

    本編でやったね、相加平均 ≥\ge 相乗平均。だから (x+4/x)/2≥2(x+4/x)/2 \ge 2、つまり x+4/x≥4x + 4/x \ge 4。和は 4 より小さくはなれないんだ。

  9. 7

    いちばん小さくなるのは、赤と緑がぴったり重なる=等号のとき。それは x=4/xx = 4/x、つまり x2=4x^2=4 で x=2x=2。動かしてみよう。

  10. ③ 解答
  11. 8

    x=2x=2 で赤=緑にそろった!このとき x+4/x=2+2=4x + 4/x = 2 + 2 = 4。だから最小値は 4 だよ。和の表示も 4 になってるね。

  12. 9

    積が一定の和は、相加相乗で最小をねらえる。最小値は「積の平方根の2倍」、等号は2つが等しい(x=4/xx=4/x)とき。これが使いどころだよ。

答案の書き方(記述例)

解き方がわかったら、次は答案に書く番。テストの解答用紙には、こんなふうに書けば伝わるよ。

x>0x > 0 より 4x>0\frac{4}{x} > 0 なので、相加平均と相乗平均の関係から

x+4x≥2x⋅4x=24=4x + \frac{4}{x} \ge 2\sqrt{x \cdot \frac{4}{x}} = 2\sqrt{4} = 4

等号が成り立つのは x=4xx = \frac{4}{x} のとき。x2=4x^2 = 4 と x>0x > 0 より x=2x = 2。

答え x=2x = 2 のとき最小値 44

減点されやすいポイント

相加相乗は2つの数がどちらも正のときしか使えないので、x>0x > 0 と 4x>0\frac{4}{x} > 0 を最初に書くこと。もう1つ大事なのが等号の確認。44 以上だと示しただけでは、本当に 44 になれるかまでは言えていないので、等号が成り立つ xx を必ず書こう。

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