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高校数学[総目次]
数学Ⅲ 第2章 微分法
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1. 微分係数と導関数 | [無料] | |
2. 合成関数の導関数 | [無料] | |
3. 逆関数の微分法 | [無料] | |
4. 三角関数の導関数 | [会員] | |
5. 対数関数・指数関数の導関数 | [会員] | |
6. 媒介変数表示と導関数 | [会員] | |
7. 陰関数の導関数 | [会員] | |
8. 平均値の定理 | [会員] | |
9. 関数の値の変化 | [会員] | |
10. 関数の極大・極小 | [会員] | |
11. 関数のグラフ | [会員] |
2.合成関数の導関数
2.1 合成関数
$x$ を1つ決めると $f(x)$ がただ1つ決まり,この $f(x)$ に応じて $g(f(x))$ がただ1つ定まるとき,$g(f(x))$ を $f(x)$ と $g(x)$ の合成関数といい,$(g\circ f)(x)$ で表す.
注意
① $g(x)$ の $x$ のところに $f(x)$ が入るから,$f(x)$ の値域が $g(x)$ の定義域に含まれていなければならない.
例 $f(x)=x-1,g(x)=\sqrt x$ のとき,
$(g\circ f)(x)=g(f(x))=\sqrt{x-1}\ \cdots
(*) $
よって $f(x)$ の値域が0以上 $(x\geqq1)$ のとき,$(*)$ は意味を持つ.
② $(g\circ f)(x)$ と $(f\circ g)(x)$ の違いに注意.
例 $f(x)=3x^2,\ g(x)=2x-1$のとき,
$(g\circ f)(x)=g(f(x))=2\cdot3x^2-1=6x^2-1$
$(f\circ g)(x)=f(g(x))=3(2x-1)^2$
③ $u=f(x),y=g(u)$ を合成した $y=g(f(x))$ は,$g(u)$ の $u$ が全て $f(x)$ に置き換わっているから $x$ の関数である.つまり $y=g(f(x))$ に文字 $u$ はない.
2.2 合成関数の導関数
$f(x),g(x)$ が微分可能であるとする.$y=f(g(x))$ の導関数 $\dfrac{dy}{dx}$ を考えたい.
$u=g(x)$ とおいて, \[\left\{\begin{array}{l} y=f(u)\\ u=g(x) \end{array}\right.\ \cdots\mbox{①}\] の合成と考えると次が成り立つ:
合成関数の導関数 \[ \frac{dy}{dx}=\frac{dy}{du}\cdot\frac{du}{dx}\]
証明
$x$ の増分 $\Delta x$ に対する $u$ の増分を $\Delta u$ とおく:
\[\Delta u=g(x+\Delta x)-g(u)\ \cdots\mbox{②}\]
従って,$g(x+\Delta x)=u+\Delta u\ \cdots$③
以上の準備の下で,
\[\begin{align*}
\frac{dy}{dx}&=\lim_{\Delta x\to0}\frac{f(g(x+\Delta x))-f(g(x))}{\Delta x}\\
&=\lim_{\Delta x\to0}\frac{f(u+\Delta u)-f(u)}{\Delta x}\ \ (\because\mbox{③,①})\\
&=\lim_{\Delta x\to0}\frac{f(u+\Delta u)-f(u)}{\Delta u}\cdot\frac{\Delta u}{\Delta x}\\
&=\lim_{\Delta x\to0}\frac{f(u+\Delta u)-f(u)}{\Delta u}\cdot\frac{g(x+\Delta x)-g(x)}{\Delta x}\ \cdots\mbox{④}
\end{align*}\]
ここで,$g(x)(=u)$ は微分可能,従って連続だから,
\[\lim_{\Delta x\to0}g(x+\Delta x)=g(x)\]
よって②により,$\Delta x\to0$ のとき $\Delta u\to 0$ となるから,
\[\begin{align*}
\mbox{④}&=\lim_{\Delta u\to0}\frac{f(u+\Delta u)-f(u)}{\Delta u}\cdot\lim_{\Delta x\to0}\frac{g(x+\Delta x)-g(x)}{\Delta x}\\
&=\frac{dy}{du}\cdot\frac{du}{dx}
\end{align*}\]
■
$y=f(u),u=g(x)$ のとき,$\dfrac{dy}{du}=f'(u),\dfrac{du}{dx}=g'(x)$ により, \[\begin{align*} \frac{dy}{dx}&=\frac{dy}{du}\cdot\frac{du}{dx}\\ &=f'(u)g'(x)\\ &=f'(g(x))g'(x) \end{align*}\]
合成関数の導関数2\[ \Bigl\{f\bigl(g(x)\bigr)\Bigr\}’=f’\bigl(g(x)\bigr)g'(x) \]
例
$y=(1-2x)^3$ のとき, \[\frac{dy}{dx}=3(1-2x)^2\cdot(-2)=\underline{-6(1-2x)^2}\]
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