第3章微分
3.3 Differentiation Rules3.3 微分の規則
Learning Objectives学習目標
- State the constant, constant multiple, and power rules.定数関数・定数倍・べき関数の微分法を述べる。
- Apply the sum and difference rules to combine derivatives.和と差の微分法を使って導関数を求める。
- Use the product rule for finding the derivative of a product of functions.積の微分法で、関数の積の導関数を求める。
- Use the quotient rule for finding the derivative of a quotient of functions.商の微分法で、関数の商の導関数を求める。
- Extend the power rule to functions with negative exponents.べき関数の微分法を、指数が負の場合に拡張する。
- Combine the differentiation rules to find the derivative of a polynomial or rational function.微分の法則を組み合わせ、多項式関数や有理関数の導関数を求める。
Finding derivatives of functions by using the definition of the derivative can be a lengthy and, for certain functions, a rather challenging process. For example, previously we found that by using a process that involved multiplying an expression by a conjugate prior to evaluating a limit. The process that we could use to evaluate using the definition, while similar, is more complicated. In this section, we develop rules for finding derivatives that allow us to bypass this process. We begin with the basics.
英語のヒント
定義を使って導関数を求める計算は長くなりやすく、関数によってはかなり難しい。たとえば、先ほどを求めたときには、極限を計算する前に共役な式を掛ける必要があった。定義からを求める場合も似た手順を使えるが、計算はさらに複雑になる。この節では、こうした手順を毎回たどらずに導関数を求められる規則を導く。まず基本から始めよう。
The Basic Rules基本的な規則
The functions and where is a positive integer are the building blocks from which all polynomials and rational functions are constructed. To find derivatives of polynomials and rational functions efficiently without resorting to the limit definition of the derivative, we must first develop formulas for differentiating these basic functions.
英語のヒント
関数と(は正の整数)は、あらゆる多項式関数や有理関数を組み立てる基本要素である。極限による定義に毎回立ち戻らず、これらの導関数を効率よく求めるためには、まず基本となる関数の微分公式を導く必要がある。
The Constant Rule定数関数の微分法
We first apply the limit definition of the derivative to find the derivative of the constant function, For this function, both and so we obtain the following result:
まず極限による定義を用いて、定数関数の導関数を求める。この関数ではかつなので、次の結果が得られる。
The rule for differentiating constant functions is called the constant rule. It states that the derivative of a constant function is zero; that is, since a constant function is a horizontal line, the slope, or the rate of change, of a constant function is We restate this rule in the following theorem.
定数関数を微分する規則を、定数関数の微分法という。その内容は、定数関数の導関数は0になる、というものである。定数関数のグラフは水平線なので、その傾き、すなわち変化率はとなる。この規則を定理として改めて述べる。
Example 3.17例題 3.17
Applying the Constant Rule定数関数の微分法を使う
Find the derivative of
の導関数を求めなさい。
Solution解き方
This is just a one-step application of the rule:
規則を一度適用するだけでよい。
The Power Ruleべき関数の微分法
We have shown that
これまでに、次のことを示した。
At this point, you might see a pattern beginning to develop for derivatives of the form We continue our examination of derivative formulas by differentiating power functions of the form where is a positive integer. We develop formulas for derivatives of this type of function in stages, beginning with positive integer powers. Before stating and proving the general rule for derivatives of functions of this form, we take a look at a specific case, As we go through this derivation, note that the technique used in this case is essentially the same as the technique used to prove the general case.
英語のヒント
ここまで来ると、という形の導関数に、ある規則性が見えてきたかもしれない。引き続き、を正の整数として、という形のべき関数を微分し、導関数の公式を調べよう。この種類の関数の微分公式は、正の整数乗から始めて段階的に導く。一般的な法則を述べて証明する前に、具体例としてを調べる。この計算で使う方法が、一般の場合の証明に使う方法と本質的に同じであることに注目してほしい。
Example 3.18例題 3.18
Differentiating の微分
Find
を求めなさい。
Solution解き方
Checkpoint 3.12確認問題 3.12
Find
を求めなさい。
Solution解き方
Hintヒント
Use and follow the procedure outlined in the preceding example.
を使い、直前の例題で示した手順に従う。
As we shall see, the procedure for finding the derivative of the general form is very similar. Although it is often unwise to draw general conclusions from specific examples, we note that when we differentiate the power on becomes the coefficient of in the derivative and the power on in the derivative decreases by 1. The following theorem states that the power rule holds for all positive integer powers of We will eventually extend this result to negative integer powers. Later, we will see that this rule may also be extended first to rational powers of and then to arbitrary powers of Be aware, however, that this rule does not apply to functions in which a constant is raised to a variable power, such as
英語のヒント
これから見るように、一般的な形の導関数を求める手順もよく似ている。具体例から一般的な結論を引き出すのは、しばしば慎重さを欠く。しかしを微分したとき、の指数が導関数のの係数となり、導関数に現れるの指数が1だけ小さくなったことに注目しよう。次の定理は、べき関数の微分法がのすべての正の整数乗で成り立つことを述べている。この結果は、このあと負の整数乗へ拡張する。さらに後では、まずの有理数乗へ、そしての任意の実数乗へも拡張できることを学ぶ。ただし、この法則はのように、定数を底として変数を指数に持つ関数には適用できないことに注意しよう。
Theorem 3.3定理 3.3
The Power Ruleべき関数の微分法
Let be a positive integer. If then
を正の整数とする。ならば、
Alternatively, we may express this rule as
この法則は、次のようにも表せる。
Proof証明
For where is a positive integer, we have
を正の整数とし、とすると、
we see that
次がわかる。
Next, divide both sides by h:
次に、両辺をhで割る。
Thus,
したがって、
Finally,
最後に、
□
□
Example 3.19例題 3.19
Applying the Power Ruleべき関数の微分法を使う
Find the derivative of the function by applying the power rule.
べき関数の微分法を使って、関数の導関数を求めなさい。
Solution解き方
Using the power rule with we obtain
として、べき関数の微分法を使うと、
Checkpoint 3.13確認問題 3.13
Find the derivative of
の導関数を求めなさい。
Solution解き方
Hintヒント
Use the power rule with
べき関数の微分法でとする。