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媒介変数で表された関数の微分はなぜ割り算になるのか

が、どちらも の式で与えられることがあります。円なら という書き方。

このとき接線の傾きは、 で微分したもの同士の割り算で出ます[1]

の式に直す必要はありません。直せない曲線でも、この形なら傾きが求まる。

円が転がるとき、周上の 点が描く曲線がサイクロイドです。 と表せます。

なぜ割り算になるのか

を通して とつながっています。合成関数の微分をたどると、割り算の形が出ます[2]

両辺を で割れば公式になります。分数の見立てがそのまま働くところが、ライプニッツの記号の強みです。

割るのだから が要ります。この条件が崩れる点では、接線が縦を向くか、曲線がとがる。

例:円の接線を求める

とします。それぞれ で微分します。

割ると です。 を戻すと となり、陰関数の微分で求めた形と一致します[3]

なら傾きは 。接点は です。

が少し進むと、点は横に 、縦に だけずれます。この つの比が、そのまま接線の傾き。

例:サイクロイドの傾き

で微分します。

割ると です。半角の公式を使えば とも書けます。

のとき傾きは で、山の頂上。 では分母が に近づき、傾きが限りなく大きくなります。

地面に触れる瞬間、曲線はとがった形になります。 が同時に になる点だからです。

例: を消せる場合

とします。傾きは

この曲線は と書き直せます。陰関数の微分でも が出て、 を戻せば同じ式。

を消せるなら、どちらの道を通っても同じ答えに着きます。消せないときに媒介変数の形が効いてきます。

のとき、 での接線の傾きはどれか。

__RESULT__

です。 を入れると となり、割って になります。

接線が水平になる点、垂直になる点

分子と分母のどちらが になるかで、接線の向きが決まります。

水平になる点

かつ のとき。傾きが になる

垂直になる点

かつ のとき。傾きが決まらない

両方が同時に になる点は、別に調べます。サイクロイドの がその場合で、曲線がとがっている。

さきほどの なら、 から で水平。 から で垂直です。

第 2 次導関数は割り方に注意

を求めるとき、 回微分して割る、という手は使えません。

正しい手順は、 をもう一度 で微分し、それを で割ることです。

で試します。 で微分すると 、これを で割って

で微分するという操作を、 で微分してから で割る操作に置きかえている。 階のときと同じ考え方です。

のとき、 での接線はどうなるか。

  • 傾きが の直線
  • 縦向きの直線
  • 傾きが の直線
__RESULT__

です。傾きは になり、点 での接線は横向き。縦向きになるのは のほうです。

上の問題は分子と分母のどちらが かをとり違えやすい形。 を代入したあと、必ず両方の値を並べて確かめます。

媒介変数を使う理由

について解けない曲線でも扱えます。サイクロイドやアステロイドがその例。
点の動きを時刻で表せます。速度や加速度と、そのままつながる書き方です。
同じ曲線を何周でも表せます。円を から まで動けば 周。
向きの情報が残ります。どちらまわりに進むかが の増え方から読めます。

物理の運動を扱うときは、この書き方が自然です。位置を時刻の式で書けば、微分がそのまま速度になります。

参考文献

Parametric equation - Wikipedia
The Chain Rule - Calculus Volume 1, OpenStax
Implicit Differentiation - Calculus Volume 1, OpenStax
$x$ と $y$ がどちらも $t$ の式のとき、接線の傾きは $dy/dt$ を $dx/dt$ で割って出ます。もとは合成関数の微分で、両辺を $dx/dt$ で割っただけ。転がる円が描くサイクロイドを動かしながら、傾きが変わる様子と、地面に触れる瞬間にとがる理由を見ます。円や $y^2 = x^3$ の計算例、接線が水平や垂直になる条件、第 2 次導関数で割り方を間違えない手順まで。