英語617403 views
いろは3025218 views
世界の国567435 views
高校化学2933198 views
LaTeX965557 views
ヒストリア294981 views
りんご220229 views
中学英語813624 views
高校物理162509 views
高校倫理1444503 views
Help
Tools

English

第 2 次導関数と n 次導関数〜微分を繰り返すと見えてくるもの

導関数 をもう一度微分したものが、第 2 次導関数 です。

回目の微分が変化の速さなら、 回目はその速さの変わり方。位置を 回微分すると加速度になる、という関係がいちばん分かりやすい例です[1]。

速度が になる と で、点は向きを変えます[1]。加速度は なので、 を境に符号が入れかわる。

記号の書き方

第 2 次導関数には つの書き方があります。どれも同じものを指します。

プライムを重ねる書き方。、 と書きます。
ライプニッツの記号。、 と書きます。
階以上は数字で示します。、 の形です。

階を と書くと数えにくいので、 階あたりから に切りかえるのがふつうです。

例:多項式を繰り返し微分する

を順に微分します。次数が つずつ下がっていく。

さらに続けると 、、 です。

次の多項式は 回で定数になり、 回で になります。多項式が扱いやすいのは、この打ち止めがあるためです。

例:4 回で戻る三角関数

は微分するたびに姿を変え、 回で元に戻ります。

角を ずつ進める式です。 が 増えると角が 進み、値が変わりません。

グラフは微分のたびに左へ だけずれます。 枚目の次は、 枚目と重なる。

例:指数関数と対数関数の n 階

は何回微分しても です。 階でも形が変わりません。

対数はそうはいきません。 を 回微分すると になり、そこからはべきの微分が続きます。

一般には です。符号が交互に変わり、階乗が分子に出てきます。

の はどれか。

__RESULT__

まず です。これをもう一度積の公式で微分すると となり、まとめて になります。

第 2 次導関数はグラフの曲がり方を表す

の符号は、グラフがどちら向きに曲がっているかを教えます[2]。

なら下に凸で、接線はグラフの下側を通ります。 なら上に凸で、接線は上側。

左は下に凸で、青い接線はどれも曲線の下を通ります。右は上に凸で、接線が曲線の上に出る。

凹凸が入れかわる点が変曲点です[3]。そこでは となり、しかも符号が変わります。

加速度としての読み方

物理では を位置、 を速度、 を加速度と呼びます[1]。

速さは速度の絶対値です。速度が負でも、速さは正の値になります。

加速度が正なら速度は増え、負なら減ります。速度が負で加速度も負なら、左向きにどんどん速くなる。

のとき、 の符号はどれか。

  • でつねに正
  • でつねに負
  • を境に変わる
__RESULT__

、 です。 なので はつねに負で、 のグラフは全体が上に凸になります。

何回微分するかで分かること

回微分すると、増えているか減っているかが分かります。
回微分すると、曲がり方と変曲点が分かります。
回微分の符号は、極大か極小かの判定にも使えます。
物理では 回目が速度、 回目が加速度にあたります。
多項式は次数の回数で定数になり、そこで打ち止め。

微分を重ねるほど、グラフの細かい性質が見えてきます。増減だけでは足りないとき、 回目の情報が効いてくる。

参考文献

Derivatives as Rates of Change - Calculus Volume 1, OpenStax
Derivatives and the Shape of a Graph - Calculus Volume 1, OpenStax
Point d'inflexion - Wikipédia(フランス語)
$f'$ をもう一度微分した $f''$ は、変化の速さがどう変わるかを表します。位置を 2 回微分すると加速度、という対応で動く点を追いながら確かめます。多項式は次数の回数で定数になり、$\sin x$ は 4 回で元へ戻る。$\log x$ の $n$ 階には階乗と交互の符号が現れます。$f''$ の符号が下に凸と上に凸を分ける様子も、接線つきの図で見えます。