$x^n$ の微分と導関数の計算
微分(数学Ⅱ)(教科書範囲) ★★
$x^n$ と定数,関連する微分公式を扱います.
$\boldsymbol{x^n}$ と定数の微分公式と証明
毎度導関数の定義に従って微分していくのは正直大変です.
そこで $x^n$ と定数の微分公式を導いてみます.
$x^n$ の微分
$n$ を自然数とすると
$\displaystyle \boldsymbol{(x^n)'=nx^{n-1}}$
定数の微分
$c$ を定数とすると
$\displaystyle \boldsymbol{(c)'=0}$
$x^n$ の微分の証明
二項定理を使って,証明します.
$f(x)=x^n$ とおくと
$f'(x)$
$\displaystyle =\lim_{h\to 0}\dfrac{f(x+h)-f(x)}{h}$
$\displaystyle =\lim_{h\to 0}\dfrac{(x+h)^n-x^n}{h}$
$\displaystyle =\lim_{h\to 0}\dfrac{x^n+{}_n{\rm C}_{1}x^{n-1}h+{}_n{\rm C}_{2}x^{n-2}h^2+\cdots+h^{n}-x^n}{h}$
$\displaystyle =\lim_{h\to 0}({}_n{\rm C}_{1}x^{n-1}+{}_n{\rm C}_{2}x^{n-2}h+\cdots+h^{n-1})$
$\displaystyle ={}_n{\rm C}_{1}x^{n-1}$
$\displaystyle =nx^{n-1}$
定数の微分の証明
$f(x)=c$ とおくと
$f'(x)$
$\displaystyle =\lim_{h\to 0}\dfrac{f(x+h)-f(x)}{h}$
$\displaystyle =\lim_{h\to 0}\dfrac{c-c}{h}$
$\displaystyle =\lim_{h\to 0}\dfrac{0}{h}$
$\displaystyle =0$
ちなみに,自然数 $n$ ではなくて一般に実数 $\alpha$ に対して,$(x^\alpha)'=\alpha x^{\alpha-1}$ が成り立ちます.これは数学Ⅲで対数微分法を使った証明が楽です.
導関数の性質
基本的な導関数の性質
$k$,$l$ を定数とすると
1.$\{kf(x)\}'=kf'(x)$
2.$\{f(x)+g(x)\}'=f'(x)+g'(x)$
3.$\{kf(x)+lg(x)\}'=kf'(x)+lg'(x)$
以下は数学Ⅲの微分公式です.
積の微分
4.$\{f(x)g(x)\}'=f'(x)g(x)+f(x)g'(x)$
合成関数の微分
5.$\left(\{f(x)\}^{n}\right)'=n\{f(x)\}^{n-1}f'(x)$
↓ 特に $f(x)=ax+b$ のとき
☆.$\left\{\left(ax+b\right)^{n}\right\}'=n\left(ax+b\right)^{n-1}a$
1の証明
$\{kf(x)\}'$
$\displaystyle =\lim_{h\to 0}\dfrac{kf(x+h)-kf(x)}{h}$
$\displaystyle =\lim_{h\to 0}k \cdot \dfrac{f(x+h)-f(x)}{h}$
$\displaystyle =kf'(x)$
2の証明
$\{f(x)+g(x)\}'$
$\displaystyle =\lim_{h\to 0}\dfrac{f(x+h)+g(x+h)-f(x)-g(x)}{h}$
$\displaystyle =\lim_{h\to 0}\left\{\dfrac{f(x+h)-f(x)}{h}+\dfrac{g(x+h)-g(x)}{h}\right\}$
$\displaystyle =f'(x)+g'(x)$
3の証明
1,2が証明できれば3も同様なので割愛します.
4,5の証明
当サイトの数学Ⅲのページを紹介します.
☆の証明
合成関数の微分の証明が理解しづらい人向けです.こちらの証明は数学ⅡBまでで理解できます.
$f(x)=\left(ax+b\right)^{n}$ のとき
$f'(x)$
$\displaystyle =\lim_{h\to 0}\dfrac{\left\{a(x+h)+b\right\}^{n}-\left(ax+b\right)^{n}}{h}$
$\displaystyle =\lim_{h\to 0}\dfrac{1}{h}\left\{\sum_{k=0}^{n}\hspace{0mm} _{n}{\rm C}_{k}a^{k}(x+h)^{k}b^{n-k}-\sum_{k=0}^{n}\hspace{0mm} _{n}{\rm C}_{k}a^{k}x^{k}b^{n-k}\right\}$
$\displaystyle =\lim_{h\to 0}\dfrac{1}{h}\left\{\sum_{k=0}^{n}\hspace{0mm} _{n}{\rm C}_{k}a^{k}(x^{k}+\hspace{0mm} _{k}{\rm C}_{1}x^{k-1}h+\cdots+h^{k})b^{n-k}-\sum_{k=0}^{n}\hspace{0mm} _{n}{\rm C}_{k}a^{k}x^{k}b^{n-k}\right\}$
$\displaystyle =\lim_{h\to 0}\dfrac{1}{h}\left\{\sum_{k=0}^{n}\hspace{0mm} _{n}{\rm C}_{k}a^{k}(\hspace{0mm} _{k}{\rm C}_{1}x^{k-1}h+\cdots+h^{k})b^{n-k}\right\}$
$\displaystyle =\lim_{h\to 0}\left\{\sum_{k=0}^{n}\hspace{0mm} _{n}{\rm C}_{k}a^{k}(\hspace{0mm} _{k}{\rm C}_{1}x^{k-1}+\cdots+h^{k-1})b^{n-k}\right\}$
$\displaystyle =\sum_{k=0}^{n}\hspace{0mm} _{n}{\rm C}_{k}a^{k}\hspace{0mm} _{k}{\rm C}_{1}x^{k-1}b^{n-k}$
$\displaystyle =a\sum_{k=0}^{n}\dfrac{n!}{k!(n-k)!}k(ax)^{k-1}b^{n-k}$
$\displaystyle =an\sum_{k=1}^{n}\dfrac{(n-1)!}{(k-1)!(n-k)!}(ax)^{k-1}b^{n-k}$
$\displaystyle =an\sum_{k=1}^{n}\hspace{0mm} _{n-1}{\rm C}_{k-1}(ax)^{k-1}b^{n-k}$
$=an\left(ax+b\right)^{n-1}$
積の微分と合成関数の微分は数学Ⅲを勉強する予定がなくても難関大志望者は知って使えるといいと思います.
例題と練習問題
例題
例題
次の関数を微分せよ.
(1) $y=2x^{2}+11x-3$
(2) $y=(x^{2}+1)(3x-4)$
(3) $y=(2x+1)^{3}$
講義
(2),(3)は展開してから微分しますが,もし上の4,5の公式を使えると少し楽です.
解答
(1)
$\boldsymbol{y'}=2\cdot2x+11-0\boldsymbol{=4x+11}$
(2)
$y=3x^{3}-4x^{2}+3x-4$ より
$\boldsymbol{y'}=3\cdot3x^{2}-4\cdot2x+3-0\boldsymbol{=9x^{2}-8x+3}$
(別解)
積の微分公式を使うと
$\boldsymbol{y'}=2x(3x-4)+(x^{2}+1)3\boldsymbol{=9x^{2}-8x+3}$
(3)
$y=(2x)^{3}+3(2x)^{2}+3\cdot2x+1=8x^{3}+12x^{2}+6x+1$ より
$\boldsymbol{y'}=8\cdot3x^{2}+12\cdot2x+6+0\boldsymbol{=24x^{2}+24x+6}$
(別解)
合成関数の微分公式を使うと
$\boldsymbol{y'}=3(2x+1)^{2}2\boldsymbol{=6(2x+1)^{2}}$
練習問題
練習
次の関数を微分せよ.
(1) $y=2x^{4}-5x^{3}+x^{2}+x-1$
(2) $y=(x^{2}+x+1)(2x+5)$
(3) $y=(x^{2}+x-3)^{2}$
解答
(1)
$\boldsymbol{y'=8x^{3}-15x^{2}+2x+1}$
(2)
$y=2x^{3}+7x^{2}+7x+5$ より
$\boldsymbol{y'=6x^{2}+14x+7}$
(別解)
積の微分公式を使うと
$\boldsymbol{y'}=(2x+1)(2x+5)+(x^{2}+x+1)2\boldsymbol{=6x^{2}+14x+7}$
(3)
$y=x^{4}+2x^{3}-5x^{2}-6x+9$ より
$\boldsymbol{y'=4x^{3}+6x^{2}-10x-6}$
(別解)
合成関数の微分公式を使うと
$\boldsymbol{y'=2(x^{2}+x-3)(2x+1)}$