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導関数の和と積

数学
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導関数の和

(f(X)+g(X))’=f(X)’+g(X)’です。

確認します。まず、定義されているほうから計算します。

定義から、f(X)’+g(X)’は、f(X+h)のhの1次の係数f1(X)と、

g(X+h)のhの1次の係数g1(X)の和です。

ここで、f(X+h)+g(X+h)をhについてまとめると、

(f(X)+g(X))+(f1(X)+g1(X))h+(f2(X)+g2(X))h^2+…+となります。

ここで、hの1次の係数は(f1(X)+g1(X))ですから、確かに、

f(X)’+g(X)’と一致します。

単純に、明らかなときは、Xを省略しても良いこととして、

(f+g)’=f’+g’と書いても良いことにしましょう。

導関数の積

では、f’g+fg’とは、

f(X+h)のhの1次の係数とg(X)の積と、

f(X)と、g(X+h)のhの1次の係数の積との和です。

hの0次であるf(X)はf0(X)そのものです(hの考え方を導入していないので0次です)。g0(X)も同様です。

よって、f1(X)*g0(X)+f0(X)*g1(X)とかけます。

ここで、(fg)’を考えます。

導関数の定義から、f(X+h)g(X+h)についてのhの1次の係数ですので、

(f0(X)+f1(X)h+f2(X)h^2+…)*(g0(X)+g1(X)h+g2(X)h^2+…)となります。

hの1次の係数だけわかればよいので、

h(f0(X)*g1(X)+f1(X)*g0(X))となっています。

結局、(fg)’=f’g+fg’となります。

微分の積(3つ以上)

さて、関数f(X)をfと省略してよいこととして、関数e、f、gについて、

(efg)’はどうなるでしょうか。

定義から、e(X+h)f(X+h)g(X+h)のhの1次の係数です。

さて、e(X+h)、f(X+h)、g(X+h)の順に、hの何次の項を選んできて、積をとればいいかを考えれば、明らかに、

順番に「0,0,1」「0,1,0」「1,0,0」の3通りしかなく、

h(e0(X)f0(X)g1(X)+e0(X)f1(X)g0(X)+e1(X)f0(X)g0(X))となります。

これは、e=e0(X)、f=f0(X)、g’=g1(X)などとなるから、

efg’+ef’g+e’fgであるとわかります。

同じようにすれば、関数a,b,c,dについて、

(abcd)’=abcd’+abc’d+ab’cd+a’bcdとなります。

べき乗の導関数

f(X)=X^2であるなら、

f'(X)はf(X+h)の、hについて一次である項の係数なので、

計算して、f'(X)=2Xとなります。

では、f(X)=X^3なら、同じく計算して、

f'(X)=3Xとなっています。

実は、fn(X)=X^nとあらわせるとき、当然

f1(X)=X、fn-1(X)=X^(n-1)であって、

fn(X)=f1(X)fn-1(X)となるので、

(fg)’=fg’+f’gの公式から、

fn‘=f1fn-1‘+f1‘fn-1=X*fn-1‘+fn-1

上の例からもわかりますが、f0=1, f0’=0, f1=X, f1’=1となって、

n=2を代入すると、(定義から、f2=X^2です)

f2’=Xf1’+f1となっていて、f2’=X+X=2Xで、

n=3を代入すると、

f3’=Xf2’+f2となっていて、f3’=X*2X+X^2=3X^2です。

証明は数学的帰納法で可能ですが、一般に、

f(X)=X^nのとき、f'(X)=nX^(n-1)となっています。

定数倍の微分

また、確認すればわかりますが、一般に、定数(Xについて0次)kがあって、

(k*f(X))’=k*f(X)’となっています。