1 微分可能な関数は連続である
積と商の微分法の証明では、差の商を変形したあとにf(x+h)やg(x+h)の極限を取ります。そこで先に、微分可能であれば値の極限がもとの値に一致することを確かめます。
定理 1.1 (微分可能な関数は連続である). 関数fが点xで微分可能ならば
h→0limf(x+h)=f(x)が成り立つ。
証明.h=0のとき
f(x+h)−f(x)=hf(x+h)−f(x)⋅hと書くことができます。h→0のとき、右辺の第一の因子は微分係数f′(x)に近づき、第二の因子は0に近づくので、積はf′(x)⋅0=0に近づきます。よってlimh→0f(x+h)=f(x)です。▨
2 積の微分法
定理 2.1 (積の微分法). 関数fとgがともに点xで微分可能であるとする。このとき積fgもxで微分可能であり
(fg)′(x)=f′(x)g(x)+f(x)g′(x)が成り立つ。
証明.h=0のとき、分子にf(x)g(x+h)を足して引くと
hf(x+h)g(x+h)−f(x)g(x)=hf(x+h)−f(x)⋅g(x+h)+f(x)⋅hg(x+h)−g(x)となります。h→0のとき、第一項の差の商はf′(x)に近づき、gはxで微分可能であるから定理 1.1によりg(x+h)はg(x)に近づきます。第二項の差の商はg′(x)に近づきます。よって右辺はf′(x)g(x)+f(x)g′(x)に近づき、左辺の極限が存在してこの値に等しくなります。▨
積の微分法が与えるのは、二つの関数それぞれの導関数を掛けたものではありません。導関数はf′(x)g(x)とf(x)g′(x)という二つの項の和です。
3 商の微分法
商f/gは、分母gの値が0になる点では定義されません。そこで、xの近くで分母が0にならないことを仮定します。
定理 3.1 (商の微分法). 関数fとgがともに点xで微分可能であるとし、さらにxを含むある開区間のすべての点でgの値が0でないとする。このとき商gfはxで微分可能であり
(gf)′(x)=g(x)2f′(x)g(x)−f(x)g′(x)が成り立つ。
証明. 仮定により、∣h∣が十分小さい0でないhについてg(x+h)=0であり、差の商を作ることができます。分子を通分すると
h1(g(x+h)f(x+h)−g(x)f(x))=g(x+h)g(x)1⋅hf(x+h)g(x)−f(x)g(x+h)です。右辺の第二の因子の分子にf(x)g(x)を足して引くと
hf(x+h)g(x)−f(x)g(x+h)=hf(x+h)−f(x)⋅g(x)−f(x)⋅hg(x+h)−g(x)となり、h→0のときf′(x)g(x)−f(x)g′(x)に近づきます。また定理 1.1によりg(x+h)はg(x)に近づき、g(x)=0であるから、第一の因子はg(x)21に近づきます。よって左辺の極限が存在してg(x)2f′(x)g(x)−f(x)g′(x)に等しくなります。▨
分子を定数関数1とすると、逆数の導関数についての次の式を得ます。
証明.定理 3.1でfを定数関数1とします。定数関数の導関数は0であるから、分子は0⋅g(x)−1⋅g′(x)=−g′(x)となります。▨
4 合成関数の微分法
合成関数f∘gが定まるのは、gの定義域に属し、かつgの値がfの定義域に入る入力の全体でした。次の定理は、その範囲に含まれる開区間の上で述べます。
定理 4.1 (合成関数の微分法).I、Jを開区間とし、gをIで定義された関数、fをJで定義された関数とする。Iのすべての点xについてg(x)∈Jであるとする。点x0∈Iについて、gがx0で微分可能であり、fがg(x0)で微分可能であるならば、合成関数f∘gはx0で微分可能であり
(f∘g)′(x0)=f′(g(x0))g′(x0)が成り立つ。すなわち、合成関数の導関数は、外側の関数の導関数に内側の関数の値を代入したものへ、内側の関数の導関数を掛けたものである。
証明.b=g(x0)と置きます。Jの各点tに対して
φ(t)=⎩⎨⎧t−bf(t)−f(b)f′(b)(t=b)(t=b)と定めます。fはbで微分可能であるからlimt→bφ(t)=f′(b)=φ(b)であり、φはbで連続です。また、Jのすべての点tについて
f(t)−f(b)=φ(t)(t−b)が成り立ちます。t=bのときはφの定め方から、t=bのときは両辺が0であることから従います。
h=0かつx0+h∈Iとし、この等式にt=g(x0+h)∈Jを代入して両辺をhで割ると
hf(g(x0+h))−f(g(x0))=φ(g(x0+h))⋅hg(x0+h)−g(x0)となります。gはx0で微分可能であるから定理 1.1により、h→0のときg(x0+h)はbに近づきます。φはbで連続であるから、φ(g(x0+h))はφ(b)=f′(b)に近づきます。また第二の因子はg′(x0)に近づきます。よって左辺の極限が存在してf′(b)g′(x0)に等しくなります。▨
5 xの累乗の導関数
はじめに、指数が整数の場合を扱います。指数が正の整数の場合は積の微分法から、負の整数の場合は逆数の導関数から導きます。
定理 5.1 (整数乗の導関数).nを1以上の整数とすると、すべての実数xについて
(xn)′=nxn−1が成り立つ。nを−1以下の整数とすると、0でないすべての実数xについて同じ式が成り立つ。ここでx0は、すべての実数xについて1と読む。
証明. はじめにn≥1の場合を、nについての数学的帰納法で示します。n=1のとき、h=0に対する差の商はh(x+h)−x=1であるから(x)′=1=1⋅x0です。
1以上の整数nについて(xn)′=nxn−1がすべての実数xで成り立つと仮定します。xn+1=x⋅xnであるから、定理 2.1により
(xn+1)′=1⋅xn+x⋅nxn−1=xn+nxn=(n+1)xnです。ここでn−1≥0であるから、x⋅nxn−1=nxnはすべての実数xで成り立ちます。数学的帰納法により、1以上のすべての整数nについて結論が成り立ちます。
次にn≤−1の場合を示します。m=−nと置くとmは1以上の整数であり、x=0のときxn=xm1です。x=0のときは、xを含み0を含まない開区間をとることができ、その上でxmは0になりません。したがって公式 3.3と、いま示した正の整数の場合により
(xn)′=−(xm)2mxm−1=−mxm−1−2m=−mx−m−1=nxn−1です。▨
6 組み合わせた式を微分する
例 6.1 (積・商・合成の規則を組み合わせる). 次の二つの関数の導関数を求める。
(1)y=(3x2+1)4とする。外側をt4、内側を3x2+1とみると、定理 4.1と定理 5.1により
y′=4(3x2+1)3⋅6x=24x(3x2+1)3である。すべての実数xで成り立つ。
(2)y=x2+12x+1とする。すべての実数xについてx2+1≥1>0であるから、定理 3.1を用いることができて
y′=(x2+1)22(x2+1)−(2x+1)⋅2x=(x2+1)2−2x2−2x+2である。