微分について

微分とは、わかりやすくいえば、関数のグラフの傾きを求めるものである。

関数のグラフの傾きは、y=f(x)において、
xを微小増加させた値、y’=f(x+凾)との差
凾凵≠凵f−yを凾で割ることにより求められる。

つまり、凾凵^凾=(f(x+凾)−f(x))/凾において、
凾を極限まで小さくした場合の値である。

微分の考え方

1.二次関数 y=ax+bx+c について微分をしてみる。
       y’=a(x+凾)+b(x+凾)+c とし、

凾凵≠凵f−y=(a(x+凾)+b(x+凾)+c)−(ax+bx+c)
       =ax+2ax凾+a凾+bx+b凾+c−ax−bx−c
       =2ax凾+a凾+b凾

上式を凾で割る。

凾凵^凾=2ax凾/凾+a凾/凾+b凾/凾
     =2ax+a凾+b

凾を極限までゼロに近付けると、a凾=0とみなせるので、
凾凵≠р凵A凾=dxと表現して、下記の式が得られる。

∴dy/dx=2ax+b

2.三角関数 y=sinxを微分してみる。

凾凵^凾=(sin(x+凾)−sinx)/凾

三角関数の加法定理sin(α+β)=sinαcosβ+cosαsinβ を利用し、

凾凵^凾=(sinxcos凾+cosxsin凾−sinx)/凾
     =(sinx(cos凾−1)+cosxsin凾)/凾

上式第一項の分母分子に(cos凾+1)をかける。

凾凵^凾=(sinx(cos凾−1)/(cos凾+1)+cosxsin凾)/凾

sinα+cosα=1より、cosα−1=−sinαを上式に代入し、

凾凵^凾=(sinx(−sin凾)/(cos凾+1)+cosxsin凾)/凾
     =sin凾/凾(−sinxsin凾/(cos凾+1)+cosx)

凾を極限までゼロに近付けると、sin凾=0、cos凾=1とみなせる。
さらに、凾がゼロ付近においては、sin凾=凾と近似できるため、sin凾/凾=1となり、

凾凵^凾=1・(−sinx・0/(1+1)+cosx)
     =cosx

∴dy/dx=cosx

3.指数関数 y=eを微分してみる。(eは、自然対数の底でe=2.71828...の無理数である。)

凾凵^凾=(e(x+凾)−e)/凾
     =e(e−1)/凾

ここで、凾がゼロ付近においては、e=1+凾と近似できるため、

凾凵^凾=e(1+凾−1)/凾
     =e(凾/凾)
     =e

∴dy/dx=e

4.対数関数 y=logxを微分してみる。

凾凵^凾=(log(x+凾)−logx)/凾
     =(log((x+凾)/x)/凾
     =(1/凾)・log(1+凾/x)

凾=xtとおき、凾→0とするとき、t→0とおけるので、

凾凵^凾=limt→0(1/xt)・log(1+t)
     =limt→0(1/x)・log(1+t)(1/t)

tを限りなくゼロに近付けた場合、(1+t)(1/t)は、値eに収束する。

自然対数の底の値

凾凵^凾=(1/x)・log

ここで、loge=1となるので、

∴dy/dx=1/x

5.指数関数 y=aを微分してみる。

y=a=elog=exlog

凾凵^凾=(e(x+凾)log−exlog)/凾
     =exlog(e凾log−1)/凾

分母分子に、logaをかける。

凾凵^凾=loga・exlog・(e凾log−1)/(凾loga)

凾loga=tとおくと、凾→0でt→0となるため、

凾凵^凾=limt→0loga・exlog・(e−1)/t
     =loga・exlog・1
     =loga・a

∴dy/dx=loga・a

6.対数関数 y=logxを微分してみる。

凾凵^凾=(log(x+凾)−logx)/凾
     =log((x+凾)/x)/凾
     =log(1+凾/x)/凾

凾=xtとおくと、凾→0で、t→0となるため、

凾凵^凾=limt→0(log(1+t))/xt
     =limt→01/x・log(1+t)(1/t)
     =1/x・log
     =1/x・loge/log
     =1/x・1/log

∴dy/dx=1/(xloga)

関数y=f(x)において、f(x)=0となるxの値は、グラフのx軸の交点である。

いっぽう、微分をおこなった関数dy/dx=f’(x)においては、
f’(x)=0となるxの値は、y=f(x)のグラフの傾きがゼロ(水平)になる点、
すなわち、グラフの極大、または極小となる点が得られる。

さらに微分をおこなうと(2回微分)、dy/dx=f’’(x)においては、
f’’(x)=0となるxの値は、y=f(x)のグラフの傾きが、増加から減少または、減少から増加へと変わる点、
すなわち、変曲点が得られる。