微分積分学の基本定理

微分と積分は互いに逆の操作です。それを述べたのが微分積分学の基本定理です1。f(x)=x2f(x) = x^2 で見ていきます。

面積を関数として見る

00 から xx までの面積を、xx の関数として考えます。

F(x)=∫0xt2 dt=x33F(x) = \int_0^x t^2 \, dt = \frac{x^3}{3}

この FF を微分すると F′(x)=x2=f(x)F'(x) = x^2 = f(x) に戻ります。面積を表す関数を微分すると、もとの関数が出てくるということです。

ddx∫axf(t) dt=f(x)\frac{d}{dx} \int_a^x f(t) \, dt = f(x)

理由は面積の増え方を見れば分かります。xx が hh だけ増えると、面積は幅 hh、高さ約 f(x)f(x) の細長い部分だけ増えます。増加分は約 f(x)hf(x) h なので、hh で割って h→0h \to 0 とすれば f(x)f(x) が残ります。

もう一つの形

FF を ff の原始関数とすると、定積分の計算方法が得られます。

∫abf(x) dx=F(b)−F(a)\int_a^b f(x) \, dx = F(b) - F(a)

面積を細かく足し上げる代わりに、原始関数の差を 11 回引くだけで済みます。∫12x2dx=83−13=73\int_1^2 x^2 dx = \dfrac{8}{3} - \dfrac{1}{3} = \dfrac{7}{3} のとおりです。

グラフで対応を見る

x=1x = 1 での量値
f(1)f(1)11
F(1)F(1)13\dfrac{1}{3}
FF の接線の傾き F′(1)F'(1)11

ff の高さが、FF の傾きになっています。

符号と増減

ff の符号FF の増減
正増加
負減少
00接線が水平

ff の符号が FF の増減を決めるという関係も、この定理の言い換えです。

グラフの放物線が y=x2y = x^2、33 次曲線が面積を表す y=x33y = \dfrac{x^3}{3} で、大きな点は f(1)=1f(1) = 1 の点と F(1)=13F(1) = \dfrac{1}{3} の点です。

  1. Fundamental theorem of calculus、Wikipedia