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e^x を微分しても e^x のままになる仕組みと log x の微分公式

微分しても形が変わらない関数があります。 がそれで、何回微分しても のまま。

底が でなければ、この気持ちよさは失われます。 を微分すると となり、 という半端な数が前に付く。

を動かすと、点 での接線が寝たり立ったりします。傾きがちょうど になる底、それが です。

傾きが 1 になる底を選んだ

における微分係数は、次の極限そのものです[1]

を大きくすればこの値も大きくなり、小さくすれば小さくなる。途中でちょうど を通過する底があり、その底を と名づけました。

と続く無理数です[2]。桁を覚える必要はありませんが、 台という感覚は持っておくと検算に効く。

の定義

高校では次の極限で を定めます。

と置き直すと、階段状に近づけていく形になります[2]

。近づき方はゆっくりです。

の微分を定義から求める

差の商を作ると、 がそっくり外へ出ます。

残った極限が なので、答えは そのもの。 の決め方が、この を用意していました。

極限の値は置きかえで確かめられます。 とおくと で、 のとき

の微分を定義から求める

対数のほうも同じ手順です。 とし、差を商の対数にまとめます。

と置きかえると になり、 が外へ出ます。

です[3]。べきの公式 では を作れないので、対数はその穴を埋める位置にいます。

つのグラフは直線 について対称です。 の上の点 を折り返すと、 の上の点 に重なる。

逆関数として対をなす

対称なグラフでは、接線の傾きが逆数の関係になります。 での傾きが 、折り返した での傾きが

なら です。逆関数 については となり、 と一致する。

指数関数の微分

で、微分しても自分自身。何回でも変わらない

対数関数の微分

で、対数の姿が消える。分数関数に変わる

微分して姿が消えるのは対数だけです。積分の側から見れば、 の原始関数が という対応になる。

底が でないとき

一般の底では、 が係数として顔を出します[1]

と書き直せば、合成関数の微分から前者が出ます。内側の微分が だからです。

とすれば となり、係数が消えます。 を底に選ぶ理由は、この にあります。

例: を微分する

指数の肩に式が入ると合成関数です。 なら内側の微分は

一般形は です。肩の式を微分して前に置くだけ。

例: を微分する

対数の中身が式のときも合成の形になります。 の微分は

一般形は で、もとの関数を分母に置く形。この形が対数微分法の土台になります。

の微分

では が定義されませんが、絶対値を付ければ で定義できます。

なら なので なら となり、合成の公式から次のようになります。

どちらの側でも同じ結果です。 で絶対値が付く理由も、ここにあります。

の導関数はどれか。

__RESULT__

外側の を微分すると 、内側の を微分すると です。肩が式のときは、その微分を掛け忘れないところが分かれ目になります。

対数微分法

両辺の対数をとってから微分すると、指数に変数が入った関数も扱えます[1]。積や商が並ぶ式にも効く手です。

)で試します。両辺の対数は

左辺を で微分すると 、右辺は積の公式から になります。

はべきの公式でも指数関数の公式でも直接は微分できません。底と肩の両方に がいるためです。

例: を微分する

同じ手順をもう一度なぞります。 から始めます。

両辺に を掛ければ完成です。

の導関数はどれか。

__RESULT__

底が でないので、 が係数として付きます。 と書き直し、内側 の微分 を掛けると確かめられます。

押さえておく 2 つの極限

導出の途中で使った極限は、単独でも出題されます。

の側の極限

です。 における微分係数そのもので、 と同じことを述べています。

対数の側の極限

です。 における微分係数にあたり、 から読めます。

公式から極限を読む向きと、極限から公式を導く向き。どちらの筋道もたどれるようにしておくと、形を変えて問われても迷いません。

参考文献

Derivatives of Exponential and Logarithmic Functions - Calculus Volume 1, OpenStax
Eulersche Zahl - Wikipedia(ドイツ語)
Dérivées usuelles - Wikipédia(フランス語)
$y = a^x$ の底を動かすと、原点での接線が寝たり立ったりします。傾きがちょうど $1$ になる底が $e$ で、$2.71828\ldots$ と続く無理数。定義の極限から $(e^x)' = e^x$ と $(\log x)' = 1/x$ を導き、直線 $y = x$ をはさんだ対称と、傾きが逆数になる関係も図で確かめます。底が $e$ でないと $\log a$ が係数に付く。$x^x$ のように底と肩の両方に $x$ がある関数は、対数微分法で扱います。