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陰関数の第 2 次導関数〜1 回目の式をもう一度微分する

陰関数を微分すると、 の式で出てきます[1]。第 次導関数は、その式をもう一度微分して求めます。

途中で がまた現れるので、 回目の結果を代入します。この差しかえが手順の要です。

点が円を回ると、 の符号が変わるところで凹凸も入れかわります。上半分は上に凸、下半分は下に凸。

手順

やることは つです。

両辺を で微分し、 を求めます。
その式をもう一度 で微分します。商や積の公式を使います。
出てきた に、 回目の結果を代入します。

番目を忘れると、 が残ったままの式になります。 だけの式に直すまでが仕事です。

例:円で計算する

を微分します[1]

この式をもう一度微分します。商の微分で、分子と分母の両方を扱います。

ここで を代入します。

さらに が使えます。もとの式に戻すと、式が短くなります。

符号から凹凸が読める

なら で、第 次導関数は負。上半分は上に凸です[2]

なら符号が反転し、下に凸になります。円を上下に分けると、性質が入れかわる。

では分母が です。そこは接線が縦を向く点で、 の関数と見ること自体ができません。

赤い接線は円の外側の上に、青い接線は下にあります。凹凸の違いが、そのまま接線の位置に出ています。

例:双曲線で計算する

でも手順は同じです。微分して を出します。

もう一度微分し、代入します。

もとの式 から 。これを使うと分子が定数になります。

円のときと同じ形になりました。分子が かの違いだけです。

例:楕円で計算する

を扱います。 でした。

もう一度微分して代入します。

の両辺に を掛けると 。分子が定数になります。

もとの式を使って分子を減らす、という仕上げが共通しています[3]

のとき、 はどれか。

__RESULT__

をもう一度微分し、その式を代入すると 。もとの式から分子が になります。

代入を忘れるとどうなるか

のまま止めると、答えとして不完全です。

で書ける量なので、残す理由がありません。代入して整理するところまでが答案。

もとの関係式を使って分子を減らす作業も、忘れがちです。 の形が見えたら、数に置きかえます。

陰関数の第 次導関数を求めるとき、最後にすべきことはどれか。

  • 両辺を で微分する
  • に 1 回目の結果を代入する
  • について解く
__RESULT__

もう一度微分すると が現れます。そこに 1 回目の結果を入れ、 だけの式に直します。

押さえるところ

回目の を求めてから、それを微分します。
商や積の公式を使うので、書き出す項が増えます。
出てきた には、必ず 回目の結果を代入します。
もとの関係式を使うと、分子が定数になることが多い。
分母が になる点は、接線が縦を向く点です。

手順は決まっているので、あとは計算を丁寧に追うだけです。代入と、もとの式による整理。この 段を忘れないところが分かれ目になります。

参考文献

Implicit Differentiation - Calculus Volume 1, OpenStax
Derivatives and the Shape of a Graph - Calculus Volume 1, OpenStax
The Derivative as a Function - Calculus Volume 1, OpenStax
$dy/dx = -x/y$ をもう一度微分すると、途中でまた $dy/dx$ が現れます。そこへ 1 回目の結果を代入し、もとの関係式で分子を減らすと $-25/y^3$ に。円を回る点で凹凸が入れかわる様子と、上半分と下半分で接線の位置が変わる図をつけました。双曲線と楕円でも同じ手順で、分子が定数になります。