ここでは、微分・積分の考えで学んだ微分の性質についてより詳しく扱う。特に、関数の和、差、積、商、更に合成関数や、逆関数の導関数について詳しく扱う。また、三角関数などの複雑な関数の微分についてもここでまとめる。
関数の導関数編集
関数 が任意の点xで極限値
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を持つとき、関数 は微分可能と言い、関数f' を、関数fの導関数と呼ぶ。
微分可能な関数は連続関数編集
関数 が微分可能ならば、連続関数である。
(証明)
fが微分可能とすると、
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なので、fは連続である。
ここでは、関数の和、差、積、商の微分について扱う。これらの方法は以降の計算で常に用いられる内容であるので、十分に習熟しておく必要がある。
和・差の導関数編集実数倍の導関数編集積の導関数編集商の導関数編集合成関数の導関数編集逆関数の導関数編集y=xn の導関数編集
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である。
(導出)
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ここで、二項定理により
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ただし
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なので、
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この式を、式(1)の右辺に代入すると
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である。
三角関数の導関数編集対数関数の導関数編集指数関数の導関数編集
両辺の自然対数をとると、
両辺をxで微分すると、
特にa=eの場合
実数乗の導関数編集
aは実数とする。
両辺の絶対値の自然対数をとって
両辺をxで微分して、
よって
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をそれぞれ微分せよ。
それぞれ
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が得られる。
高次導関数編集
導関数f'(x)をf(x)の第1次導関数という。
導関数の導関数を第2次導関数という。
導関数の導関数の導関数を第3次導関数という。
一般に、関数f(x)をn回微分して得られる関数を第n次導関数といい、
のいずれかで表す。
また、nが1,2,3の時はそれぞれ や と表す。
2次以上の導関数を高次導関数という。
(例) の第3次導関数は
なので である。
導関数の応用編集
接線と法線編集
関数 上の点 における接線の傾きは であるので、接線の方程式は
となる。
また、接点を通り接線に垂直な直線を法線(ほうせん)という。
垂直な直線同士は傾きの符号が逆であり、傾きの絶対値が逆数であるので、法線の方程式は
となる。
関数値の増減編集
は の点 での傾きを表す。
よって、
- の時 は増加し続ける
- の時 は減少し続ける
- の時 は一定
である。
また、 で、 の前後で の符号が から に変わるならば、 は点 で増加から減少に転じる。このときの を極大値(きょくだいち)という。
また、 から に変わるならば、 は点 で減少から増加に転じるので、このときの を極小値(きょくしょうち)という。
極大値と極小値をまとめて極値(きょくち)という。
であっても、前後で符号が変わらなければ は極値ではない。
第二次導関数の図形的な意味を考えてみよう。導関数は各点での接線の傾きを表している。第二次導関数は導関数の導関数だから、接線の傾きの変化率、すなわちグラフの曲がり具合を表していることになる。第二次導関数が正のときは傾きが増加しているのだからグラフは下に凸、負のときは上に凸となる。
グラフの曲がり具合が変わる点のことを変曲点(へんきょくてん)という。上の考察から、変曲点は第二次導関数の符号が変わる点であることがわかる。極値の場合と同様に、たとえ であっても、符号が変わらなければ変曲点ではない。
関数のグラフを書くときには、変曲点の情報は極値と同様に重要なので、増減表にも第二次導関数の欄をつくり、変曲点を記入するとよい。
速度と加速度編集
数直線上を運動する物体が時刻 のとき位置 にあるとする。この物体の速度を求める。
時刻が から に移動するとき、物体は から の位置に移動する[1]。このときの平均の速度は
ここで、 なので、 を限りなく 0 に近づければ、この物体の瞬間の速度が求められる。時刻 のときの物体の瞬間の速度を とすれば、
である。
同様に、加速度についても、時刻 のときの物体の加速度を とすれば
これは、平面上を運動する物体にも拡張できる。時刻 のときの物体の位置ベクトルが で与えられるとき、この物体の速度ベクトル は である。同様に加速度ベクトル についても、 。
例えば、角速度 で原点を中心に半径 の円運動する物体が で にあるとき、この物体の時刻 のときの位置ベクトル は である。速度ベクトルは、 。加速度ベクトルは 。ここから、位置ベクトル と速度ベクトル は直行し、位置ベクトル と加速度ベクトル は逆向きであり、 、 が成立することが分かる。
また、円運動の 成分 または 成分だけに注目すれば、それは単振動である。
ロルの定理編集平均値の定理編集コーシーの平均値の定理編集
コーシーの平均値の定理 ― 関数 は で連続、 で微分可能とする。このとき、
となる が存在する。さらに、 とすれば、
となる が存在する。
ロピタルの定理編集テイラーの定理編集
- ^ ここで、 は関数であることに注意せよ。