導関数と接線

曲線上の 11 点で触れる直線を接線といいます1。導関数がわかれば、接線の式はそのまま書けます。f(x)=x3−3xf(x) = x^3 - 3x の x=2x = 2 における接線を求めます。

手順

段階計算結果
導関数を求めるf′(x)=3x2−3f'(x) = 3x^2 - 3式が出る
傾きを計算するf′(2)=12−3f'(2) = 12 - 399
接点を計算するf(2)=8−6f(2) = 8 - 622

傾き 99 で (2,2)(2, 2) を通る直線なので、次のようになります。

y=f(2)+f′(2)(x−2)=2+9(x−2)=9x−16y = f(2) + f'(2)(x - 2) = 2 + 9(x - 2) = 9x - 16

一般には、x=ax = a における接線は次の形です。

y=f(a)+f′(a)(x−a)y = f(a) + f'(a)(x - a)

曲線の種類が変わっても、この順序は変わりません。

接線が曲線と交わってもよい

接線は接点で曲線に触れる直線ですが、離れた場所で曲線と交わってもかまいません。x3−3x=9x−16x^3 - 3x = 9x - 16 を解きます。

x3−12x+16=(x−2)2(x+4)=0x^3 - 12x + 16 = (x - 2)^2(x + 4) = 0

x=2x = 2 が重解、x=−4x = -4 が別の解です。この接線は (−4,−52)(-4, -52) で曲線を横切ります。

接点で重解になることが、接することの代数的な意味です。曲線と直線を連立して重解が出れば接している、という判定はここから来ています。

接線は一次近似でもある

f′(2)=9f'(2) = 9 という値は、x=2x = 2 の近くで xx が少し増えると yy がその 99 倍ほど増えることを表します。

xxf(x)f(x)接線の値
222222
2.12.12.9612.9612.92.9

よく近い値です。接線は曲線の一次近似でもあります。

法線と水平な接線

接点で接線に垂直な直線を法線といい、その傾きは −1f′(a)=−19-\dfrac{1}{f'(a)} = -\dfrac{1}{9} になります。

接線が水平になるのは f′(a)=0f'(a) = 0 のときで、この関数では 3x2−3=03x^2 - 3 = 0 より x=±1x = \pm 1、つまり極大点と極小点です。接線の傾きを調べることが、そのまま増減を調べることになります。

グラフの 33 次曲線が y=x3−3xy = x^3 - 3x、直線が接線 y=9x−16y = 9x - 16 で、大きな点が接点 (2,2)(2, 2) です。

  1. Tangent、Wikipedia