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積・商・合成関数の微分

∵証明

積では差の商へ f(x+h)g(x)f(x+h)g(x) を足して引くと

f(x+h)g(x+h)−f(x)g(x)h=f(x+h)−f(x)hg(x+h)+f(x)g(x+h)−g(x)h.\frac{f(x+h)g(x+h)-f(x)g(x)}h =\frac{f(x+h)-f(x)}h g(x+h)+f(x)\frac{g(x+h)-g(x)}h.

微分可能なら連続なので g(x+h)→g(x)g(x+h)\to g(x)。極限を取れば積の公式です。商は 1g\frac{1}{g} の差の商から (1g)′=−g′g2(\frac{1}{g})'=-\frac{g'}{g^2} を求め、積の公式を使います。

∵証明

k=g(x+h)−g(x)k=g(x+h)-g(x) とします。k≠0k\ne0 の場合は差の商を

f(g(x)+k)−f(g(x))k⋅kh\frac{f(g(x)+k)-f(g(x))}{k}\cdot\frac{k}{h}

と分けられます。k=0k=0 の場合も第一因子を f′(g(x))f'(g(x)) と補って同じ形に定義できます。h→0h\to0 なら k→0k\to0 なので、二つの因子はそれぞれ f′(g(x))f'(g(x)) と g′(x)g'(x) へ収束します。これは dydx=(dydu)(dudx)\frac{dy}{dx}=(\frac{dy}{du})(\frac{du}{dx}) という記号的直感を正当化しますが、dy,dxdy,dx を無条件に通常の数として約分した証明ではありません。

y=xxy=x^x(x>0x>0)に対し log⁡y=xlog⁡x\log y=x\log x として微分すると y′y=log⁡x+1,\frac{y'}y=\log x+1, よって y′=xx(log⁡x+1).y'=x^x(\log x+1). 対数微分は多数の積や変数を含む指数に有効です。

陰関数微分では、たとえば x2+y2=1x^2+y^2=1 の両辺を xx で微分して 2x+2yy′=02x+2yy'=0 とします。逆関数では、必要な微分係数が0でなければ (f−1)′(y)=1f′(x)(f^{-1})'(y)=\frac{1}{f'(x)} です。これらは発展的な使い方です。

Q積の微分★☆☆

f(x)=x3cos⁡xf(x)=x^3\cos x を微分してください。

HINTヒントを見る
積の二つの項を作ります。
ANS解答を見る
f′(x)=3x2cos⁡x−x3sin⁡xf'(x)=3x^2\cos x-x^3\sin x です。
Q多段の連鎖律★★☆

g(x)=esin⁡(x2)g(x)=e^{\sin(x^2)} を微分してください。

HINTヒントを見る
指数、正弦、二乗の順に外側から微分します。
ANS解答を見る
g′(x)=esin⁡(x2)cos⁡(x2)⋅2xg'(x)=e^{\sin(x^2)}\cos(x^2)\cdot2x です。
Q公式の条件★★★

h(x)=log⁡(1−x2)h(x)=\log(1-x^2) の定義域と導関数を求めてください。

HINTヒントを見る
1−x2>01-x^2>0 が必要です。
ANS解答を見る
定義域は −1<x<1-1<x<1。連鎖律から h′(x)=−2x1−x2h'(x)=-\frac{2x}{1-x^2} です。式だけなら他の点でも書けますが、元の実関数は定義されません。