プリンキピア

第3章微分

3.6 The Chain Rule3.6 合成関数の微分法(連鎖律)

Learning Objectives学習目標

  • State the chain rule for the composition of two functions.
    2つの関数の合成に対する連鎖律を述べる。
  • Apply the chain rule together with the power rule.
    連鎖律とべき関数の微分法を組み合わせて使う。
  • Apply the chain rule and the product/quotient rules correctly in combination when both are necessary.
    連鎖律と積・商の微分法の両方が必要なとき、正しく組み合わせて使う。
  • Recognize the chain rule for a composition of three or more functions.
    3つ以上の関数の合成に対する連鎖律を理解する。
  • Describe the proof of the chain rule.
    連鎖律の証明を説明する。
We have seen the techniques for differentiating basic functions (xn,sinx,cosx,etc.) as well as sums, differences, products, quotients, and constant multiples of these functions. However, these techniques do not allow us to differentiate compositions of functions, such as h(x)=sin(x3) or k(x)=3x2+1. In this section, we study the rule for finding the derivative of the composition of two or more functions.
英語のヒント
これまでに、基本的な関数(xn,sinx,cosx,など.)と、それらの和・差・積・商・定数倍を微分する方法を学んだ。しかし、これらの方法だけでは、h(x)=sin(x3)やk(x)=3x2+1のような合成関数を微分できない。この節では、2つ以上の関数を合成した関数の導関数を求める法則を学ぶ。

Deriving the Chain Rule連鎖律を導く

When we have a function that is a composition of two or more functions, we could use all of the techniques we have already learned to differentiate it. However, using all of those techniques to break down a function into simpler parts that we are able to differentiate can get cumbersome. Instead, we use the chain rule, which states that the derivative of a composite function is the derivative of the outer function evaluated at the inner function times the derivative of the inner function.
英語のヒント
2つ以上の関数を合成した関数では、これまでの方法で、微分できる簡単な部分に分けて考えることもできる。しかし、毎回そのように分解するのは煩雑になりがちである。そこで連鎖律を使う。合成関数の導関数は、「外側の関数を微分してから内側の関数を代入したもの」と、「内側の関数の導関数」の積になる、という法則である。
To put this rule into context, let’s take a look at an example: h(x)=sin(x3). We can think of the derivative of this function with respect to x as the rate of change of sin(x3) relative to the change in x. Consequently, we want to know how sin(x3) changes as x changes. We can think of this event as a chain reaction: As x changes, x3 changes, which leads to a change in sin(x3). This chain reaction gives us hints as to what is involved in computing the derivative of sin(x3). First of all, a change in x forcing a change in x3 suggests that somehow the derivative of x3 is involved. In addition, the change in x3 forcing a change in sin(x3) suggests that the derivative of sin(u) with respect to u, where u=x3, is also part of the final derivative.
英語のヒント
この法則を具体的に考えるため、h(x)=sin(x3)を見よう。この関数をxで微分するとは、xの変化に対するsin(x3)の変化率を調べることである。つまり、xが変わるとsin(x3)がどう変わるかを知りたい。これは連鎖反応として考えられる。xが変化するとx3が変わり、それによってsin(x3)が変わる。この連鎖から、sin(x3)の微分に何が関わるかを推測できる。まず、xの変化がx3を変えるので、x3の導関数が何らかの形で関わるはずである。さらに、x3の変化がsin(x3)を変えるので、u=x3とおいたときの、sin(u)のuに関する導関数も、最終的な導関数の一部になると考えられる。
We can take a more formal look at the derivative of h(x)=sin(x3) by setting up the limit that would give us the derivative at a specific value a in the domain of h(x)=sin(x3).
h(x)=sin(x3)の定義域内のある値aで微分係数を与える極限を立て、h(x)=sin(x3)の導関数を、より形式的に調べてみよう。
h′(a)=limx→asin(x3)−sin(a3)x−a.
h′(a)=limx→asin(x3)−sin(a3)x−a
This expression does not seem particularly helpful; however, we can modify it by multiplying and dividing by the expression x3−a3 to obtain
英語のヒント
この式のままでは、特に役立ちそうには見えない。しかし、x3−a3を掛けて同じ式で割ると、次のように変形できる。
h′(a)=limx→asin(x3)−sin(a3)x3−a3·x3−a3x−a.
h′(a)=limx→asin(x3)−sin(a3)x3−a3·x3−a3x−a
From the definition of the derivative, we can see that the second factor is the derivative of x3 at x=a. That is,
導関数の定義から、第2の因子はx=aにおけるx3の微分係数であるとわかる。すなわち、
limx→ax3−a3x−a=ddx(x3)x=a=3a2.
limx→ax3−a3x−a=ddx(x3)x=a=3a2
However, it might be a little more challenging to recognize that the first term is also a derivative. We can see this by letting u=x3 and observing that as x→a,u→a3:
第1の因子も微分係数であることには、少し気づきにくいかもしれない。u=x3とおき、x→a,u→a3:となることに注目すると、次のようにわかる。
limx→asin(x3)−sin(a3)x3−a3=limu→a3sinu−sin(a3)u−a3=ddu(sinu)u=a3=cos(a3).
Thus, h′(a)=cos(a3)·3a2.
したがって、h′(a)=cos(a3)·3a2である。
In other words, if h(x)=sin(x3), then h′(x)=cos(x3)·3x2. Thus, if we think of h(x)=sin(x3) as the composition (f∘g)(x)=f(g(x)) where f(x)= sin x and g(x)=x3, then the derivative of h(x)=sin(x3) is the product of the derivative of g(x)=x3 and the derivative of the function f(x)=sinx evaluated at the function g(x)=x3. At this point, we anticipate that for h(x)=sin(g(x)), it is quite likely that h′(x)=cos(g(x))g′(x). As we determined above, this is the case for h(x)=sin(x3).
言い換えると、h(x)=sin(x3)ならばh′(x)=cos(x3)·3x2である。f(x)= sin x、g(x)=x3とおいて、h(x)=sin(x3)を合成関数(f∘g)(x)=f(g(x))と考えよう。するとh(x)=sin(x3)の導関数は、g(x)=x3の導関数と、f(x)=sinxを微分してからg(x)=x3を代入したものの積となっている。この結果から、h(x)=sin(g(x))に対してもh′(x)=cos(g(x))g′(x)となりそうだと予想できる。先ほど確かめたように、h(x)=sin(x3)では実際にこの形になっている。
Now that we have derived a special case of the chain rule, we state the general case and then apply it in a general form to other composite functions. An informal proof is provided at the end of the section.
英語のヒント
連鎖律の特別な場合を導いたので、次に一般の場合を述べ、ほかの合成関数にも適用していく。厳密さを一部省いた証明は、この節の最後に示す。