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ルートと分数の微分は指数で書き直すと 1 つの公式で済む|高校数学Ⅲ

も も、指数の形に書き直せば同じ公式で微分できます。

が正の整数のときだけでなく、負の数でも分数でも成り立つ[1]。数学Ⅱでは自然数だった が、数学Ⅲでは有理数まで広がります。

を動かすと曲線の反り方が変わります。点 での接線の傾きは、いつでも そのもの。

根号は分数の指数に直す

平方根は 乗、立方根は 乗として書けます。

書き直してしまえば、あとは公式に を入れるだけ。根号のまま扱おうとすると、専用の手順を別に覚えることになります。

分母にある形も同じです。、 と直します。

例: を微分する

を公式に入れます。

指数が になるので、答えは分母に根号がくる形。 なら傾きは です。

例: を微分する

と見ます。指数を前に出し、 を引く。

負の指数では、微分すると指数がさらに小さくなります。符号が負になるのは、 が増えると値が減るためです。

例:立方根を含む形

は です[1]。

での傾きは になります。この点を通る接線は 。

例:根号の中に式が入る形

は合成関数です。外側が 乗、内側が 。

内側の微分 が、外側の と打ち消し合いました。根号の微分では、この形の約分がよく起こります。

の導関数はどれか。

__RESULT__

と書き直すと です。 なので、答えは になります。

分数関数は 2 通りで解ける

のような形は、商の公式でも指数の書き直しでも計算できます。

商の公式なら分子を として 。指数なら と見て、外側の微分に内側の を掛けます。

結果は同じです。分子が定数のときは書き直しのほうが速く、分子にも式があるときは商の公式が素直。

指数に書き直す

分子が定数のとき有利。 と見て合成の公式で処理する

商の公式を使う

分子にも式があるとき有利。 の形にそのまま当てはめる

グラフで見る の傾き

平方根のグラフは、原点の近くで急に立ち上がります。傾きの式 を見ると、 を に近づけるほど値が大きくなる。

で傾き 、 で 、 で 。右へ行くほど、坂はゆるやかになります。

原点では微分できない

の定義域は ですが、微分できるのは の範囲だけです。

のとき は限りなく大きくなります。接線が縦を向いてしまい、傾きという値が決まらない。

グラフの端で微分できない例は、ほかにもあります。 は原点で定義されますが、そこでの接線はやはり縦向き。

なぜ有理数の指数でも成り立つのか

の両辺を 乗すると になります。この形なら、両辺とも整数の指数です。

両辺を で微分します。左辺は合成関数なので となる。

を戻して整理すると、 が出ます[2]。整数の場合から、分数の場合が導かれました。

対数微分法でも同じ結論に届きます。 の両辺を微分するだけ[3]。

の導関数はどれか。

__RESULT__

です。指数を前に出して を引くと となり、 と書けます。積の公式で計算しても同じ答え。

まとめて確かめる

は 。微分すると です。
は 。微分すると になります。
は 。微分すると 。
は 。微分すると です。
は 。微分すると 。

指数に直す、公式を当てる、根号や分数に戻す。この 手順を固定してしまえば、形が変わっても手が止まりません。

参考文献

Derivatives of Inverse Functions - Calculus Volume 1, OpenStax
Implicit Differentiation - Calculus Volume 1, OpenStax
Dérivées usuelles - Wikipédia(フランス語)
$\sqrt{x}$ は $x^{1/2}$、$1/x^3$ は $x^{-3}$。指数の形に直してしまえば、$(x^p)' = px^{p-1}$ だけで片がつきます。$p$ を動かすと接線の傾きがそのまま $p$ になる様子を図で確かめ、$\sqrt[3]{x^2}$ や $\sqrt{x^2+1}$ まで計算例を並べました。原点で接線が縦を向き、微分できなくなる理由も見ます。有理数の指数で公式が成り立つ根拠は、両辺を $n$ 乗する書き直し。