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微分係数はなにを測っているのか?高校数学Ⅲの導関数の入口

を少し動かしたとき、 はどれだけ動くか。その比を細かい極限まで詰めた値が微分係数です。

分子が の変化、分母が の変化。割り算の形なので、 が 進むあたりの変化量を表します。

を へ近づけると、 点を結ぶ直線が 点で触れる直線に変わる。微分係数が接線の傾きと呼ばれるのは、この移り変わりのためです。

間隔を縮めるほど、直線の傾きが一つの値に落ち着きます。落ち着いた先が で、この図では なので に寄っていく。

平均変化率と瞬間の変化率

から までの平均変化率は、区間をならした値です。区間の途中で速くなっても遅くなっても、その差は表に出ません。

微分係数は を へ送った先なので、区間ではなく点の情報になる。車でいえば、平均の速さと速度計の針の違いです。

区間の幅がゼロでは割り算ができないので、極限という手続きが要ります。近づけた先の値を読む、という言い方が正確なところ。

例:定義から を微分する

公式を使わず、定義だけで計算してみます。 とおくと、分子は次のように展開できる。

で割ると が残ります。 とすれば が得られる。

分子で が消えるところが要点です。消えなければ で割った瞬間に発散してしまう。

例:定義から を微分する

分数でも手順は変わりません。まず通分し、それから で割ります。

で割ると となり、 で に落ち着きます。

は とも書ける。指数の公式が負の数まで通用することが、ここで確かめられました。

導関数は数ではなく関数

各点の微分係数を求め、 を に書き直したものが導関数です。値ではなく関数が返ってくるところが、微分係数との違い。

グラフでいうと、接線の傾きを縦軸にとり直した新しいグラフができあがります。

上の放物線に 本の接線を引き、その傾きを下の直線へ写しました。 での傾き が、下では点 にあたります。

傾きだけを集めると直線が現れる。これが の意味です。

例:接線の方程式を作る

の における接線を求めます。傾きは 、通る点は 。

通る点と傾きの つで直線は決まります。増減や最大最小の問題も、出発点はここ。

数学Ⅱから数学Ⅲへ広がる関数

数学Ⅱで微分したのは多項式だけでした。数学Ⅲでは三角関数、指数関数、対数関数、分数関数、無理関数が加わる。

扱う関数が増えるぶん、公式も増えます。とはいえ土台は定義の式ひとつで、どの公式もそこから導かれる[1]。

べき関数は 。 が負の数や分数でも成り立ちます。
三角関数は 、。
正接は 。
指数関数は 、。
対数関数は 、。

角の単位は弧度法です。度数法のままだと が崩れ、余計な定数が付いてしまう。

公式を組み立てる 4 つの規則

個々の関数の公式に次の規則を重ねると、守備範囲が一気に広がります。

定数倍と和は分けて計算できます。。
積は 。
商は 。
合成は 。

積の公式を としないところが落とし穴です[2]。片方だけ微分した項を つ作り、それを足す形になる。

例:規則を組み合わせる

なら積の規則です。 と を当てはめます。

なら合成の規則になる[3]。内側 の微分である を掛けます。

共通因数でくくる癖をつけると、あとで増減表を書くときに楽になります。

の導関数はどれか。

__RESULT__

分数のまま商の公式を当ててもよいのですが、 と分けるほうが早い。 と を足せば になります。

微分できない点もある

すべての関数が、すべての点で微分できるわけではありません。 の原点がその例です。

右から近づくと差の商は 、左から近づくと 。近づく向きで値が変わるので、極限が存在しません。

グラフに角があると微分できない。接線が 本に決まらないためです。

微分できる点では、グラフはなめらかにつながります。逆向きの主張は成り立たず、連続でも微分できるとは限らない。

で微分できない関数はどれか。

__RESULT__

は原点で右側の傾きが 、左側が になり、極限が つに決まりません。 と は原点でなめらかにつながり、傾きはそれぞれ と です。

微分係数の読み方をそろえる

同じ でも、場面によって呼び名が変わります。どちらの読み方も、指しているものは同じ値です。

グラフとして読む

点 における接線の傾き。符号と大きさが図から読める

変化として読む

が 増えるあたりの の増え方。速度や密度のような量に対応する

物理では、位置を時刻で微分すると速度、速度をもう一度微分すると加速度になります。数学Ⅲの微分は、こうした量を扱うための道具でもある。

参考文献

Dérivées usuelles - Wikipédia(フランス語)
Produktregel - Wikipedia(ドイツ語)
The Chain Rule - Calculus Volume 1, OpenStax
平均変化率の $h$ を $0$ へ近づけると、2 点を結ぶ直線が接線に変わります。その落ち着き先が微分係数で、各点の値を集め直したものが導関数。定義だけで $x^2$ と $1/x$ を微分し、接線の方程式まで作る。数学Ⅲで加わる三角関数、指数関数、対数関数の公式と、和や積、商、合成を組み立てる規則も一覧にしました。原点に角がある $|x|$ が、微分できない例になります。