第3話 微分の基礎を教えてやるぜ

微分は、関数の変化率を求める手法だよ。具体的には、ある関数

𝑓

(

𝑥

)

f(x) の値が、入力

𝑥

x のわずかな変化によってどのように変わるかを示すんだぜ。


基本的な概念

関数:関数は、入力(独立変数)に対して出力(従属変数)を与えるルールだ。例えば、

𝑓

(

𝑥

)

=

𝑥

2

f(x)=x

2

𝑥

x を入力として

𝑥

2

x

2

を出力する。


変化率:微分は、ある点における関数の変化率を求める。これは、関数の傾き(接線の傾き)を表している。


微分の定義

微分は次のように定義される:


𝑓

(

𝑥

)

=

lim

Δ

𝑥

0

𝑓

(

𝑥

+

Δ

𝑥

)

𝑓

(

𝑥

)

Δ

𝑥

f

(x)=

Δx→0

lim


Δx

f(x+Δx)−f(x)


ここで:


Δ

𝑥

Δx は

𝑥

x のわずかな変化を示す。

𝑓

(

𝑥

+

Δ

𝑥

)

𝑓

(

𝑥

)

f(x+Δx)−f(x) は、

𝑥

x が

Δ

𝑥

Δx だけ増加したときの関数の変化量。

このリミット(極限)を求めることで、瞬間的な変化率、すなわち微分係数

𝑓

(

𝑥

)

f

(x) を得る。


微分の計算例

例1:

𝑓

(

𝑥

)

=

𝑥

2

f(x)=x

2

の微分

定義を適用:


𝑓

(

𝑥

)

=

lim

Δ

𝑥

0

(

𝑥

+

Δ

𝑥

)

2

𝑥

2

Δ

𝑥

f

(x)=

Δx→0

lim


Δx

(x+Δx)

2

−x

2



展開して整理:


=

lim

Δ

𝑥

0

𝑥

2

+

2

𝑥

Δ

𝑥

+

(

Δ

𝑥

)

2

𝑥

2

Δ

𝑥

=

lim

Δ

𝑥

0

2

𝑥

Δ

𝑥

+

(

Δ

𝑥

)

2

Δ

𝑥

=

Δx→0

lim


Δx

x

2

+2xΔx+(Δx)

2

−x

2


=

Δx→0

lim


Δx

2xΔx+(Δx)

2



Δ

𝑥

Δxで割る:


=

lim

Δ

𝑥

0

(

2

𝑥

+

Δ

𝑥

)

=

2

𝑥

=

Δx→0

lim

(2x+Δx)=2x

したがって、

𝑓

(

𝑥

)

=

2

𝑥

f

(x)=2x だ。


微分のルール

和の法則:


𝑑

𝑑

𝑥

(

𝑓

(

𝑥

)

+

𝑔

(

𝑥

)

)

=

𝑓

(

𝑥

)

+

𝑔

(

𝑥

)

dx

d

(f(x)+g(x))=f

(x)+g

(x)

定数の法則:


𝑑

𝑑

𝑥

(

𝑘

)

=

0

(

𝑘

は定数

)

dx

d

(k)=0(kは定数)

積の法則:


𝑑

𝑑

𝑥

(

𝑓

(

𝑥

)

𝑔

(

𝑥

)

)

=

𝑓

(

𝑥

)

𝑔

(

𝑥

)

+

𝑓

(

𝑥

)

𝑔

(

𝑥

)

dx

d

(f(x)g(x))=f

(x)g(x)+f(x)g

(x)

商の法則:


𝑑

𝑑

𝑥

(

𝑓

(

𝑥

)

𝑔

(

𝑥

)

)

=

𝑓

(

𝑥

)

𝑔

(

𝑥

)

𝑓

(

𝑥

)

𝑔

(

𝑥

)

(

𝑔

(

𝑥

)

)

2

dx

d

(

g(x)

f(x)

)=

(g(x))

2


f

(x)g(x)−f(x)g

(x)


チェーンルール:


𝑑

𝑑

𝑥

(

𝑓

(

𝑔

(

𝑥

)

)

)

=

𝑓

(

𝑔

(

𝑥

)

)

𝑔

(

𝑥

)

dx

d

(f(g(x)))=f

(g(x))⋅g

(x)

微分の応用

微分は物理学、経済学、生物学など、多くの分野で重要な役割を果たす。例えば、速度や加速度の計算、最適化問題などに利用される。

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