プリンキピア

第3章微分

3.2 The Derivative as a Function3.2 関数としての導関数

Learning Objectives学習目標

  • Define the derivative function of a given function.
    与えられた関数の導関数を定義する。
  • Graph a derivative function from the graph of a given function.
    与えられた関数のグラフから、導関数のグラフを描く。
  • State the connection between derivatives and continuity.
    微分可能性と連続性のつながりを述べる。
  • Describe three conditions for when a function does not have a derivative.
    関数が微分できない三つの状況を説明する。
  • Explain the meaning of a higher-order derivative.
    高階導関数の意味を説明する。
As we have seen, the derivative of a function at a given point gives us the rate of change or slope of the tangent line to the function at that point. If we differentiate a position function at a given time, we obtain the velocity at that time. It seems reasonable to conclude that knowing the derivative of the function at every point would produce valuable information about the behavior of the function. However, the process of finding the derivative at even a handful of values using the techniques of the preceding section would quickly become quite tedious. In this section we define the derivative function and learn a process for finding it.
英語のヒント
これまで見たように、ある点での関数の微分係数は、その点における変化率、あるいは接線の傾きを表す。時刻を指定して位置関数を微分すれば、その時刻の速度が得られる。すべての点で微分係数が分かれば、関数の振る舞いについて価値ある情報が得られる、と考えるのは自然である。しかし前節の方法で、ほんの数個の値について微分係数を求めるだけでも、すぐにかなり面倒になる。この節では導関数を定義し、それを求める手順を学ぶ。

Derivative Functions導関数

The derivative function gives the derivative of a function at each point in the domain of the original function for which the derivative is defined. We can formally define a derivative function as follows.
英語のヒント
導関数は、もとの関数の定義域のうち微分係数が定義される各点に対して、その点での微分係数を与える関数である。厳密には、次のように定義する。
A function f(x) is said to be differentiable at a if f′(a) exists. More generally, a function is said to be differentiable on S if it is differentiable at every point in an open set S, and a differentiable function is one in which f′(x) exists on its domain.
英語のヒント
関数f(x)は、f′(a)が存在するとき、aで微分可能であるという。より一般に、開集合Sのすべての点で微分可能な関数を、S上で微分可能という。また、定義域の全体でf′(x)が存在する関数を、微分可能な関数という。
In the next few examples we use Equation 3.9 to find the derivative of a function.
次のいくつかの例題では、式3.9を使って導関数を求める。
Example 3.11例題 3.11

Finding the Derivative of a Square-Root Function平方根の関数の導関数を求める

Find the derivative of f(x)=x.
f(x)=xの導関数を求めなさい。
Solution解き方
Start directly with the definition of the derivative function. Use Equation 3.1.
導関数の定義から直接計算する。原文は式3.1を参照しているが、ここで実際に用いる導関数の定義は式3.9である。
f′(x)=limh→0x+h−xhSubstitutef(x+h)=x+handf(x)=xintof′(x)=limh→0f(x+h)−f(x)h.=limh→0x+h−xh·x+h+xx+h+xMultiply numerator and denominator byx+h+xwithout distributing in thedenominator.=limh→0hh(x+h+x)Multiply the numerators and simplify.=limh→01(x+h+x)Cancel theh.=12xEvaluate the limit.
f′(x)=limh→0x+h−xh代入する値:f(x+h)=x+hおよびf(x)=x代入先:f′(x)=limh→0f(x+h)−f(x)h.=limh→0x+h−xh·x+h+xx+h+x分母と分子に√(x+h)+√xを掛ける。分母は展開しない。=limh→0hh(x+h+x)分子どうしを掛けて整理する。=limh→01(x+h+x)約分する因子:h.=12x極限を求める。
Example 3.12例題 3.12

Finding the Derivative of a Quadratic Function二次関数の導関数を求める

Find the derivative of the function f(x)=x2−2x.
関数f(x)=x2−2xの導関数を求めなさい。
Solution解き方
Follow the same procedure here, but without having to multiply by the conjugate.
同じ手順で進めればよいが、ここでは共役な式を掛ける必要はない。
f′(x)=limh→0((x+h)2−2(x+h))−(x2−2x)hSubstitutef(x+h)=(x+h)2−2(x+h)andf(x)=x2−2xintof′(x)=limh→0f(x+h)−f(x)h.=limh→0x2+2xh+h2−2x−2h−x2+2xhExpand(x+h)2−2(x+h).=limh→02xh−2h+h2hSimplify.=limh→0h(2x−2+h)hFactor outhfrom the numerator.=limh→0(2x−2+h)Cancel the common factor ofh.=2x−2Evaluate the limit.
f′(x)=limh→0((x+h)2−2(x+h))−(x2−2x)h代入する値:f(x+h)=(x+h)2−2(x+h)およびf(x)=x2−2x代入先:f′(x)=limh→0f(x+h)−f(x)h.=limh→0x2+2xh+h2−2x−2h−x2+2xh展開する式:(x+h)2−2(x+h).=limh→02xh−2h+h2h整理する。=limh→0h(2x−2+h)hくくり出す因子:h(分子からくくり出す)。=limh→0(2x−2+h)約分する共通因子:h.=2x−2極限を求める。
We use a variety of different notations to express the derivative of a function. In Example 3.12 we showed that if f(x)=x2−2x, then f′(x)=2x−2. If we had expressed this function in the form y=x2−2x, we could have expressed the derivative as y′=2x−2 or dydx=2x−2. We could have conveyed the same information by writing ddx(x2−2x)=2x−2. Thus, for the function y=f(x), each of the following notations represents the derivative of f(x):
英語のヒント
導関数を表すには、さまざまな記法を使う。例題3.12では、f(x)=x2−2xならf′(x)=2x−2であることを示した。この関数をy=x2−2xという形で書いていたなら、導関数はy′=2x−2またはdydx=2x−2と表せた。同じ内容をddx(x2−2x)=2x−2と書いてもよい。したがって、関数y=f(x)について、次の記法はいずれもf(x):の導関数を表す。
f′(x),dydx,y′,ddx(f(x)).
f′(x),dydx,y′,ddx(f(x))
In place of f′(a) we may also use dydx|x=a Use of the dydx notation (called Leibniz notation) is quite common in engineering and physics. To understand this notation better, recall that the derivative of a function at a point is the limit of the slopes of secant lines as the secant lines approach the tangent line. The slopes of these secant lines are often expressed in the form ΔyΔx where Δy is the difference in the y values corresponding to the difference in the x values, which are expressed as Δx (Figure 3.11). Thus the derivative, which can be thought of as the instantaneous rate of change of y with respect to x, is expressed as
英語のヒント
f′(a)の代わりにdydx|x=aと書くこともできる。dydxという記法はライプニッツの記法と呼ばれ、工学や物理学で広く使われる。この記法を理解するため、ある点の微分係数が、割線を接線に近づけたときの傾きの極限であることを思い出そう。割線の傾きは、しばしばΔyΔxの形で表す。xの値の差をΔxと書き、それに対応するyの値の差をΔyと書く(図3.11)。したがって、xに対するyの瞬間変化率と考えられる微分係数は、次のように表される。
dydx=limΔx→0ΔyΔx.
dydx=limΔx→0ΔyΔx
第1象限に関数y=f(x)の曲線が描かれている。x軸には0、a、a+Δx、y軸には0、f(a)、f(a)+Δyが示されている。割線は、曲線上の(a,f(a))と(a+Δx,f(a)+Δy)を通る。 (a,f(a))から水平線を、(a+Δx,f(a)+Δy)から鉛直線を引いている。(a,f(a))から(a+Δx,f(a))までの横の距離をΔx、(a+Δx,f(a)+Δy)から(a+Δx,f(a))までの縦の距離をΔyと示している。

OpenStax, Rice University; Calculus Volume 1. · CC BY-NC-SA 4.0

Figure 3.11図 3.11
The derivative is expressed as dydx=limΔx→0ΔyΔx.
微分係数はdydx=limΔx→0ΔyΔxと表される。

Graphing a Derivative導関数のグラフ

We have already discussed how to graph a function, so given the equation of a function or the equation of a derivative function, we could graph it. Given both, we would expect to see a correspondence between the graphs of these two functions, since f′(x) gives the rate of change of a function f(x) (or slope of the tangent line to f(x)).
英語のヒント
関数のグラフの描き方はすでに学んだので、関数の式や導関数の式が与えられれば、そのグラフを描ける。両方の式があれば、二つのグラフの間には対応があるはずである。なぜなら、f′(x)は関数f(x)の変化率、すなわちf(x)).の接線の傾きを与えるからである。
In Example 3.11 we found that for f(x)=x,f′(x)=1/2x. If we graph these functions on the same axes, as in Figure 3.12, we can use the graphs to understand the relationship between these two functions. First, we notice that f(x) is increasing over its entire domain, which means that the slopes of its tangent lines at all points are positive. Consequently, we expect f′(x)>0 for all values of x in its domain. Furthermore, as x increases, the slopes of the tangent lines to f(x) are decreasing and we expect to see a corresponding decrease in f′(x). We also observe that f′(0) is undefined and that limx→0+f′(x)=+∞, corresponding to a vertical tangent to f(x) at 0.
英語のヒント
例題3.11では、f(x)=x,f′(x)=1/2xであることを求めた。図3.12のように同じ座標軸上に両方のグラフを描くと、二つの関数の関係が分かりやすい。まず、f(x)は定義域全体で増加している。このことから、その接線の傾きは各点で正になる。したがって、導関数の定義域内のすべてのxに対してf′(x)>0となるはずである。さらに、xが増えると、f(x)の接線の傾きは小さくなるので、f′(x)もそれに対応して減少すると考えられる。また、f′(0)は定義されず、limx→0+f′(x)=+∞であることも分かる。これは、0.でf(x)の接線が鉛直になることに対応する。
f(x)=√xと、その導関数f′(x)=1/(2√x)のグラフ。

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Figure 3.12図 3.12
The derivative f′(x) is positive everywhere because the function f(x) is increasing.
関数f(x)が増加しているため、導関数f′(x)はその定義域全体で正になる。
In Example 3.12 we found that for f(x)=x2−2x,f′(x)=2x−2. The graphs of these functions are shown in Figure 3.13. Observe that f(x) is decreasing for x<1. For these same values of x,f′(x)<0. For values of x>1,f(x) is increasing and f′(x)>0. Also, f(x) has a horizontal tangent at x=1 and f′(1)=0.
例題3.12では、f(x)=x2−2x,f′(x)=2x−2を求めた。これらのグラフを図3.13に示す。f(x)はx<1で減少し、同じ範囲でx,f′(x)<0となる。x>1,f(x)は増加し、f′(x)>0である。また、f(x)はx=1で水平な接線をもち、f′(1)=0となる。
f(x)=x²−2xと、その導関数f′(x)=2x−2のグラフ。

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Figure 3.13図 3.13
The derivative f′(x)<0 where the function f(x) is decreasing and f′(x)>0 where f(x) is increasing. The derivative is zero where the function has a horizontal tangent.
関数f(x)が減少するところではf′(x)<0、f(x)が増加するところではf′(x)>0となる。関数が水平な接線をもつところでは、導関数の値は0になる。
Example 3.13例題 3.13

Sketching a Derivative Using a Function関数のグラフから導関数の概形を描く

Use the following graph of f(x) to sketch a graph of f′(x).
次のf(x)のグラフから、f′(x)のグラフの概形を描きなさい。
関数f(x)は正弦曲線に似た形をしている。図では(−4,3)から減少し、(−2,2)で極小となる。その後増加して(3,6)で極大となり、減少して(7,2)まで描かれている。

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Solution解き方
The solution is shown in the following graph. Observe that f(x) is increasing and f′(x)>0 on (–2,3). Also, f(x) is decreasing and f′(x)<0 on (−∞,−2) and on (3,+∞). Also note that f(x) has horizontal tangents at –2 and 3, and f′(−2)=0 and f′(3)=0.
解答を次のグラフに示す。(–2,3)ではf(x)が増加し、f′(x)>0となる。(−∞,−2)および(3,+∞)では、f(x)が減少し、f′(x)<0となる。また、f(x)は–2と3で水平な接線をもち、f′(−2)=0、f′(3)=0である。
f(x)とf′(x)の二つのグラフ。f(x)は上のグラフと同じで、正弦曲線に似た形をしている。(−4,3)から減少し、(−2,2)で極小となった後、増加して(3,6)で極大となり、(7,2)まで描かれている。 f′(x)は下向きに開く放物線で、頂点はおよそ(0.5,1.75)、y軸との交点は(0,1.5)、x軸との交点はおよそ(−1.9,0)と(3,0)である。

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