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
は
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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