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2h や 3h が混じった極限を定義の形へ戻す|微分係数

の値は です。

分子に がないので、そのままでは定義の形になりません。足して引くことで形をそろえます[1]。

と を足した が前に出る。この理由が分かれば、どんな組み合わせでも処理できます。

をはさむ

分子に を入れます。値は変わりません。

前半と後半に分けて、それぞれ で割ります。

どちらも分母と分子の増分がそろい、定義の形になりました。

のとき 、 なので、両方とも に近づきます。

分子に を足して引く

2 つに分けてそれぞれ増分をそろえる

係数を前に出して足す

なぜ足し算になるのか

から右へ 、左へ 離れた 2 点の高さの差を見ています。

を境に、右側の変化と左側の変化を合わせているので、幅の合計は 。だから 倍になります。

引き算の形なのに足されるのは、 の向きが逆だからです。

例:いくつかの型

は、 を掛けて割る形にすれば です。

では、 をはさむと になります。

同じ側の 2 点なので引き算になりました。幅の差が だからです。

極限の形答え

つめは左右対称の形です。 で、ちょうど になります。

数値で確かめる

、 で試します。 です。

で 。 で合っています。

左の点が速く、右の点がゆっくり寄ります。それでも割った値は 1 つの数に落ち着きます。

分母が でない形

を考えます。分母が 次です。

と因数分解して、 の部分だけを定義の形に使います。

で前半が 、後半が 。答えは です。

分母の余分な因数は、極限に入れる前に分けておきます。

分母を の形に切り出せれば、残りはふつうに代入してよい。

残った部分は で困らない。 にならない因数だから、そのまま値を入れられる。

分子に が混じる形

を求めます。分子に と の両方が入っています。

分子に をはさみます。

で割って極限をとります。

答えは 。 に関する部分と、 に関する部分を分けたのがこつです。

分子に を足して引く

引き算の形をそろえる。片側の点しかない式で使う

分子を 2 つの差に分ける

の差と、係数の差に分ける。 と が混ざる式で使う

置きかえてよい場合

を見ます。増分が です。

とおくと、 のとき 。式は になります。

答えは です。増分と分母が同じ形なら、中身が でも でも変わりません。

ただし は正の側からしか に近づきません。両側の値が一致する関数でだけ、この置きかえが通ります。

の値はどれですか。

__RESULT__

をはさんで分けると になります。右へ 、左へ なので、合わせた幅が です。 は と引き算した値にあたります。

同じ側にある場合も確かめます。

の値はどれですか。

__RESULT__

どちらも より右にあるので、 をはさむと になります。同じ側なら引き算、反対側なら足し算です。

を足して引き、増分と分母をそろえる。この 2 手で、どんな係数が付いていても定義の形へ戻せます。

参考

Paul Dawkins. *The Definition of the Derivative*. Paul's Online Notes, Lamar University.
3.1 Defining the Derivative. Calculus Volume 1, OpenStax.
Differentialquotient. Serlo, Lernplattform für Mathematik.
$\displaystyle\lim_{h \to 0} \frac{f(a+2h) - f(a-3h)}{h}$ は $5f'(a)$ です。分子に $f(a)$ を足して引き、2 つに分けてから増分と分母をそろえます。$a$ をはさんだ両側の変化を足しているので、幅の合計 $5h$ がそのまま係数になる。同じ側の 2 点なら引き算です。分母が $x^2 - 1$ のように余分な因数をもつ形、分子に $x^2f(a) - a^2f(x)$ と 2 種類が混ざる形、増分が $h^2$ になる置きかえまで並べました。