物理/解析入門（１）実数の性質、連続関数、導関数と微分
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目次 |
8.2 解析入門（１）実数の性質、連続関数、微分と導関数
序
一変数関数の解析学を紹介する。
解析学は実数の連続性と極限の概念を用いる無限算法（微分、積分）を扱う
数学の基幹分野の一つである。
高校でならう解析学の概略だけを知りたい方は、以下の教科書で学習してください。
（１）関数や方程式の知識
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-352-QINU物理学では、指数関数をはじめ色々な関数をよく使う。
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-353-QINUこれについては下記の本に要約が説明されている。
指数関数や対数関数の上記の本の解説は不十分なので、
興味ある方は、本テキストの
をご覧ください。
（２）ネイピア数 e の理解に必要な数学
微分や積分で重要な役割を演じる実数にネイピア数eがある。
本テキストでも頻繁に登場する。
この数は、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-354-QINU で定義される。
この極限が存在し、２と３の間の数になることを証明するには、２項定理が必要になる。
これについては
問題１
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-355-QINU は、いくつか？
（３）微分・積分
物理の学習には微分と積分が必須である。
関数の微分は、極限を利用して定義される。
極限がよくわからない場合には、高等学校数学III/極限（ウィキブックス）を概略理解してから、
高等学校数学II 微分・積分の考え（ウィキブックス）に進むと良いだろう。
問題２
問題
問題
問題
問題
問題
問題
問題
問題
問題
問題
問題
問題
問題
問題
問題
問題
（３）大学教養課程程度の解析学の基礎
この節は、解析学の基礎（実数の連続性とリーマン積分）について、さらに知りたい方のために書かれている。
厳密さをかなり重視し、程度は大学専門課程の入り口に相当する。
多変数関数の解析学については次章の「9章 物理数学２」で紹介する。
実数の連続性と極限
実数の連続性は、様々な極限の存在に根拠を与えるもので、
実数の持つ最も重要な性質といってもよい。
上界、下界と有界集合
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-356-QINUを、全ての実数を要素とする集合とし、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-357-QINUをその部分集合(A \subset R)とする。
実数UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-358-QINUがUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-359-QINUの上界(upper bound)とは、
任意のUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-360-QINUに対して、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-361-QINUがなりたつことUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-362-QINU。
実数UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-363-QINUがUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-364-QINUの下界(lower bound)とは、
任意のUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-365-QINUに対して、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-366-QINUがなりたつこと。
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-367-QINUをUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-368-QINUの上界をすべて集めた集合UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-369-QINU、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-370-QINUをUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-371-QINUの下界をすべて集めた集合とする。
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-372-QINUが空集合UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-373-QINUでない（すなわち、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-374-QINUの上界が少なくとも一つ存在する）とき、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-375-QINUは上に有界であるといい、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-376-QINUの時、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-377-QINUは下に有界であるという。
上に有界で、下にも有界な集合(UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-378-QINUは、有界という。
実数の連続の公理と上限、下限
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-379-QINUとする。
実数の連続性の公理
もし、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-380-QINUならば、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-381-QINUは、最小元を持つ。
もし、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-382-QINUならば、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-383-QINUは、最大元を持つ。
上限と下限の定義
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-384-QINUの最小元をUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-385-QINUの上限(supremum)あるいは最小上界(least upper bound)という。
また、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-386-QINUの最大元をUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-387-QINUの下限(infimum)あるいは最大下界(greatest lower bound)という。
命題１
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-388-QINUがUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-389-QINU の上限となるための必要十分条件は、
ⅰ）UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-390-QINUはUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-391-QINUの上界。すなわち任意のUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-392-QINUにたいしてUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-393-QINU
ⅱ）UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-394-QINUである任意のUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-395-QINUはUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-396-QINUの上界ではない。すなわち、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-397-QINUとなるUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-398-QINUが存在
である。
同様に、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-399-QINUがUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-400-QINU の下限となるための必要十分条件は、
ⅰ）UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-401-QINUはUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-402-QINUの下界。すなわち任意のUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-403-QINUにたいしてUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-404-QINU
ⅱ）UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-405-QINUである任意のUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-406-QINUはUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-407-QINUの下界ではない。すなわち、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-408-QINUとなるUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-409-QINUが存在
である。
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-410-QINU の上限をUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-411-QINU、下限をUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-412-QINUと書く。
さらに、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-413-QINUが最大値を持つ場合には、Ａの上限はＡの最大値と一致し、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-414-QINUが最小値を持つ場合には、Ａの下限はＡの最小値と一致する。
証明は、上限、下限の定義から、明らかなので省略する。
例；UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-415-QINUのとき、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-416-QINU,UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-417-QINU。
これらは、ともにUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-418-QINUの要素でないので、
上限１はUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-419-QINUの最大元(最大値)ではなく、下限０はUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-420-QINUの最小元(最小値)ではない。
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-421-QINUのとき、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-422-QINU,UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-423-QINU。
これらは、ともにUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-424-QINUの要素なので、
上限は最大限であり、下限は最小限となる。
命題２
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-425-QINUで、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-426-QINUは有界集合とする。
このとき、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-427-QINU
証明は容易である。
実数列の極限
実数列UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-428-QINUとは、
ｘが、自然数全体のなす集合Ｎから実数全体の作る集合Ｒへの写像であることと定義する。
論理記号で書けば、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-429-QINU
定理1；
１） 単調増加で上に有界な数列UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-430-QINU(注参照）は収束する（極限値を持つ）。
２）単調減少で下に有界な数列は収束する。
（注）数理論理学における論理の数学的モデルの一つであり、命題論理を拡張した一階述語論理で表現すると、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-431-QINU
証明
１）だけ示す。
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-432-QINUとおくと、仮定からＡは上に有界な集合なので、
実数の連続性から上限（最小上界）UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-433-QINU を持つ。
この UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-434-QINU が数列ｘの極限であることを示そう。
任意の小さい正数 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-435-QINU をとると、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-436-QINU は集合Ａの上界ではなくなるので
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-437-QINU
数列は単調増加なので、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-438-QINU
他方、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-439-QINU は数列ｘの上界なので、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-440-QINU
式（１）と（２）から、
どんなに小さな正数 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-441-QINU をとってもある自然数ｍが定まり、
それより大きな自然数ｎ に対して、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-442-QINU が示せた。
収束の定義から、数列ｘがUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-443-QINUに収束することが示せた。
２）の証明も同様である。
数列UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-444-QINU の項の中から番号の小さい順に次々と無限個を取り出すことにより、
新しい数列が得られる。
このようにして作られる新しい数列を、元の数列の部分列という。
定義１ 部分列
自然数の集合ＮからＮの中への狭義の単調増加関数 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-445-QINU を用いて(注参照）
数列 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-446-QINU からつくる数列 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-447-QINU を、数列 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-448-QINU の部分列という。
（注）UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-449-QINU が狭義単調増加とは、任意の自然数kと、それより大きい全ての自然数lに対してUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-450-QINU
定理２
有界な数列 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-451-QINU は、収束する部分列をもつ。
証明
数列が有界なので、２つの実数l,uが存在して、全ての自然数ｎに対し、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-452-QINU
閉区間UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-453-QINU の中に、数列の無限個の項が含まれているので、
この区間を２等分した区間のいずれかには、数列の無限個の項が含まれる。
その区間を UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-454-QINU と書く。(注参照）
すると この区間は UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-455-QINU,長さは UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-456-QINU
この区間 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-457-QINU を２等分しても、いずれかの部分区間は、数列の無限の項を含む。
そこでその部分区間を UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-458-QINU とする。 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-459-QINU、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-460-QINU
これを続けると閉区間の縮小列 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-461-QINU を得る（n=1,2,3,4,,,,)。
すると、
数列 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-462-QINU は単調増加で有界な数列、
数列 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-463-QINU は単調減少で有界な数列、
定理１から、どちらの数列も収束する。
しかも、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-464-QINU なので
それぞれの極限を UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-465-QINU ,UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-466-QINU とかくと、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-467-QINU
この点を UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-468-QINU とかく。
・最後に、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-469-QINU に収束する、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-470-QINU の部分列を選び出そう。
部分区間UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-471-QINU の中には数列UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-472-QINUの無限の項があるので、その中で最小の項順UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-473-QINUを選び、部分列の初項UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-474-QINU に選ぶ。
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-475-QINU にはUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-476-QINUのなかの数列UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-477-QINUの項が無限に含まれるので、
その中で、項順ｍが UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-478-QINU を満たすものも無限にある。
その中で最小の項順のものを選び、第２項 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-479-QINU とする。
すると、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-480-QINU
これを繰り返すと任意の自然数iに対して
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-481-QINU であって、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-482-QINU である,
数列UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-483-QINUを得る。
この数列が元の数列の部分列であり、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-484-QINU
であることは明らかである。
（注）２つの部分区間のどちらも無限個の項を含むときは、どちらの部分区間を採用してもよい。
数列が収束するための条件を求めるためには、コーシー列という概念が必要になる。
定義
実数列UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-485-QINUがコーシー列(または基本列)とは
任意のUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-486-QINU に対して、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-487-QINU が存在して、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-488-QINU ならば UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-489-QINU となること。
定理3
（１）実数列 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-490-QINU がコーシー列ならば、収束する。
（２）逆に、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-491-QINU が収束するならば、コーシー列である。
証明
（１）を証明する。
ⅰ）UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-492-QINU がコーシー列ならば、有界である。
∵ コーシー列なので、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-493-QINU のとき、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-494-QINU が存在して、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-495-QINU ならば UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-496-QINU
故に、この数列の全ての項は、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-497-QINUとUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-498-QINU の間にある。
ⅱ）UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-499-QINU がコーシー列ならば、収束する。
∵
数列がコーシー列なので,
任意の正数 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-500-QINU に対して、ある自然数 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-501-QINU が存在して、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-502-QINU ならば、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-503-QINU
また、コーシー列は有界なので、定理２から、収束する部分列 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-504-QINU を持つ。
この極限値を UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-505-QINU とおくと、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-506-QINU を満たす或る番号 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-507-QINU が定まって、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-508-QINU なる任意のｋに対して
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-509-QINU
すると任意の UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-510-QINU に対して、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-511-QINU
故に、元の数列は UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-512-QINU に収束する。
（２）の証明は簡単なので、略す。
証明終わり。
収束に関連するさらなる情報は下記を参照のこと。
定理の応用；ネイピア数 e
次の命題は、高等学校数学III/微分法（ウィキブックス）では証明せず利用しているものである。
命題
数列 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-513-QINU は、
2より大きく3より小さい実数 e に収束する。
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-514-QINU
この e をネイピア数と呼ぶ。
練習問題
上の命題を証明してください。
ヒント；
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-515-QINU を2項展開して、ｎとともに単調に増大すること、
常に2と3の間の実数であることを示せばよい。
解答は、8.3 8章の付録の 問の解答
関数とその連続性
関数の定義
ある範囲内の任意の数値をとりえる文字を変数という。
２つの変数ｘ、ｙがあって、ｘの値を定めれば、ある規則により、ｙの値が決まるようになっているとき、
ｙはｘの関数といい、
ｘにより決まるｙの値を、 関数記号 f,g などを用いて、y=f(x) ,y=g(x) などと書く。
変数ｘは独立変数、ｙは従属変数という。
実は、或るものに何かを対応させるという操作は社会に満ち溢れてる。
人々に名前を付ける、あるスーパーで売っている各食品に１００ｇ当たりの価格やカロリー量を対応させて表示する等。
そこで広くこうした場合にも対応できるように、上記の関数の概念を拡張する。
定義
２つの非空の集合A、Bを考える。
集合Aの非空の部分集合 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-516-QINU の各要素に対して、
集合 B の一つの要素を定める規則を関数という。
この規則により UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-517-QINU の任意の要素 a に対応するBの要素bを、
この規則を表す関数記号(例えば）ｆを用いて、b=f(a) と表す（注１参照のこと）。
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-518-QINU を関数ｆの定義域、Bを関数ｆの値域（注２参照）という。
スーパーの例では、そのスーパーで扱っている商品の種類の集合をAとし、
食品という商品の部分集合を UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-519-QINU
各食品に１００ｇ当たりのエネルギーを対応させる規則を、
100ｇあたりのカロリー関数ｆ、
値域Bは自然数の集合（円）とすればよい。
（注１）この定義は若干不明瞭である。厳密には、
関数fは、直積集合 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-520-QINU の部分集合 ｆ であって、
任意の UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-521-QINU に対して、唯一のB の要素 ｂ が存在して、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-522-QINU を満たすものと定義する。
この唯一のｂのことを、f(a) と書く。
（注２）本によっては 値域をBの部分集合 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-523-QINU で定義することもあるので注意が必要である。
開集合と閉集合
関数の連続性
(1) 定義域が全空間に等しい関数の連続性
定義域が、ｎ次元実空間 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-524-QINU に一致する関数を考える。
実数値関数 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-525-QINU がある点 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-526-QINUで連続であるとは、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-527-QINUがUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-528-QINU に限りなく近づくならば、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-529-QINU が UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-530-QINU に限りなく近づく
ことを言う。
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-531-QINUと記す。
これはイプシロン-デルタ論法(ε-δ論法)を用いれば次のように定式化できる。
任意の（小さな）正の数 ε 与えられたとき、
（小さな）正の数 δ をうまくとってやれば、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-532-QINU と δ 以内の距離にあるどんな UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-533-QINU に対しても、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-534-QINU と UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-535-QINU の差が ε より小さくなる。
(２) 定義域Ｄが全空間UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-536-QINU の真の部分集合である関数の連続性
定義
D を ｎ次元空間UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-537-QINU の部分集合、
関数ｆを、定義域Ｄの実数値関数とする。
関数ｆが、点 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-538-QINU で連続とは
Ｄの中の点UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-539-QINUがUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-540-QINU に限りなく近づくならば、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-541-QINU が UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-542-QINU に限りなく近づく
ことを言う（注参照）。
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-543-QINU と記す。
関数 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-544-QINU が連続であるとは、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-545-QINU のすべての点で連続であることを言う。
（注）ε-δ論法を用いれば次のように述べることができる。
任意の正数εに対して、ある正数δが存在して、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-546-QINU と δ 以内の距離にあるどんなＤの中の点UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-547-QINU に対しても、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-548-QINU と UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-549-QINU の差が ε より小さくなる。
連続関数は多くの重要な性質を持つ。
その一つを紹介する。
命題
有界閉区間 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-550-QINU 上で連続な関数ｆは、この上で最大値と最小値をとる。
一変数の実数値関数とベクトル値関数の微分
このテキストを理解するための必要最小限のことを記述する。
以下の文献も必要に応じて参考にしてください。
一冊では不十分なので色々あげておく。
実数値関数の微分
実数の開区間UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-551-QINU上で定義された実数値関数UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-552-QINUを考える。
定義;微分可能性
関数UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-553-QINUがUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-554-QINUで微分可能であるとは、極限
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-555-QINU
が存在することである。
この時UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-556-QINUをUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-557-QINUのUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-558-QINUにおける微分係数あるいは導値といい、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-559-QINU
などと書く。
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-560-QINUの各点でUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-561-QINUが微分可能であるとき、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-562-QINUは微分可能関数(あるいは
微分可能）という。
この時、任意のUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-563-QINUに対して、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-564-QINUが定まるので、
関数UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-565-QINUが定まる。これをUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-566-QINUのUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-567-QINU(derivative)という。
命題
関数 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-568-QINU が微分可能ならば、連続である。
微分係数の意味
(1)UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-569-QINUは、区間UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-570-QINUにおける関数値の平均変化率である。
その極限である微分係数UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-571-QINUは、関数値のUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-572-QINUにおける瞬間的な変化率と考えられる。
(2)2次元空間(平面のこと)に直交座標座標系UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-573-QINUをいれ、
関数UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-574-QINUのグラフUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-575-QINUを書く。
すると、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-576-QINUが存在することは、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-577-QINUにおいてグラフUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-578-QINUが接線をもつことと同等であり、
接線の方程式は
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-579-QINUである。
これは、接線の定義からただちに分かる。
(3）UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-580-QINUを零に近づけていったときの極限の意味をさらに深めるため
微分可能の定義を、それと同等の別の表現に変換しよう。
(1)式の右辺の定数を左辺に移行すると
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-581-QINU
次に、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-582-QINU
という、変数ｈの関数を定義する。
すると関数UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-583-QINUがUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-584-QINUで微分可能で、微分係数がUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-585-QINUである必要十分条件は
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-586-QINU
である。
(2)式を変形すると
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-587-QINU
ゆえに次の命題が証明できた。
命題；
次の4つの条件は同等である。
１）関数UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-588-QINUはUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-589-QINUで微分可能で、微分係数はUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-590-QINUである
２）関数UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-591-QINUは、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-592-QINU
と表現できる。
ここで、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-593-QINUは
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-594-QINU
を満たす関数
３）関数UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-595-QINUは、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-596-QINU
と表現できる。
ここで、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-597-QINUは
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-598-QINU
を満たす関数。ランダウの記号では、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-599-QINU
３'） 関数UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-600-QINUは、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-601-QINUの近傍の点UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-602-QINUで
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-603-QINU
ここで、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-604-QINUは
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-605-QINU
を満たす関数
証明
条件１）から条件２）はすでに説明した。
条件２）から条件３）は、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-606-QINU と置けば良い。
条件３）から条件１）は容易に導ける。
この定理の3）あるいは4)により、
「関数がUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-607-QINUで微分可能であり、微分係数がｃであること」は、
「この関数がUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-608-QINUの近傍の点UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-609-QINUで直線UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-610-QINUで近似でき、
誤差UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-611-QINUが,
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-612-QINUをUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-613-QINUに近づけていくとき、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-614-QINUより高次で０に収束する(注参照)
ことと同等であることが分かる。
(注)UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-615-QINU
命題の系；関数がUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-616-QINUで微分可能であれば、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-617-QINUで連続である。
証明；命題の２）を用いると、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-618-QINU
この式から、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-619-QINU
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-620-QINUなのでUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-621-QINU。
ゆえに、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-622-QINU
これは、関数がUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-623-QINUで連続であることの定義そのものである。
導関数の性質
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-624-QINUを開区間とする。
定理１（線形性）
ｆ、ｇをＩ上で定義された微分可能な実数値関数で、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-625-QINUは任意の実数とする。
それらの線形結合関数UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-626-QINUは微分可能で
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-627-QINU
定理２ （積の導関数）
2つの関数UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-628-QINUがＩ上で微分可能ならば、それらの積 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-629-QINU もＩ上で微分可能で
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-630-QINU
定理３（商の導関数）
2つの関数UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-631-QINUがＩ上で微分可能とする。すると、
（１）UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-632-QINU はＩに含まれる開集合となる。
（２）Ｊ上で定義されるそれらの商 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-633-QINU は微分可能であり、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-634-QINU
定理４ （合成関数の導関数）
これらの証明は、微分の定義式と極限の性質から容易に導ける。
を参照のこと。
三角関数の導関数
- UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-691-QINU
- UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-692-QINU
- UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-693-QINU
となる。
を参照のこと。
対数関数の導関数
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-694-QINU
特にUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-695-QINUのとき、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-696-QINU
eを底とする対数を自然対数という。
数学では、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-697-QINUのeを省略してlog xと書く。
数学以外の分野では、常用対数と区別するために、ln xが用いられることもある。
逆三角関数の導関数
- UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-698-QINU
- UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-699-QINU
- UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-700-QINU
となる。
導出
平均値の定理
平均値の定理（へいきんちのていり、英: mean-value theorem）または有限増分の定理とは、
実函数に対して有界な領域上の積分に関わる大域的な値を、微分によって定まる局所的な値として実現する点が領域内に存在することを主張する。
平均値の定理にはいくつかバリエーションがあるが、単に 「平均値の定理」 と言った場合は、ラグランジュの平均値の定理と呼ばれる微分に関する平均値の定理のことを指す場合が多い。
平均値の定理は微積分学の他の定理の証明（例えば、テイラーの定理、微分積分学の基本定理）にしばしば利用される、大変有用なものである（ウィキペディア；平均値の定理 より）。
ロルの定理
平均値の定理の準備として、ロルの定理を用いる。
この定理自体も有用である。
平均値の定理
テイラー展開とテイラーの定理
微分可能な関数 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-635-QINU の導関数 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-636-QINU が微分可能ならば、
その導関数 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-637-QINU が考えられる。
これをｆの2階の導関数という。
例えば、変数ｔの関数 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-638-QINU が時刻ｔの質点の位置とすると、
その導関数は速度、2階導関数は加速度を表すことを第2章の力学で学んだ。
さらに高階の微分が可能な関数を考え、その性質を考察しよう。
テイラー展開とテイラーの定理
微分可能な関数 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-639-QINU の導関数 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-640-QINU が微分可能ならば、
その導関数 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-641-QINU が考えられる。
これをｆの2階の導関数という。
例えば、変数ｔの関数 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-642-QINU が時刻ｔの質点の位置とすると、
その導関数は速度、2階導関数は加速度を表すことを第2章の力学で学んだ。
さらに高階の微分が可能な関数を考え、その性質を考察しよう。
テイラー展開とテイラーの定理
テイラー展開、テイラー級数についての入門書は
より高度なテイラーの定理などは以下の記事を。但し証明はない。
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-643-QINU級の関数
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-644-QINU上の関数 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-645-QINU が連続的微分可能（continuously differentiable）であるとは,
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-646-QINU上で導関数 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-647-QINU が存在して、しかもUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-648-QINU がUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-649-QINU上で連続であることをいう。
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-650-QINU上で連続的微分可能である関数をUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-651-QINU級関数という。
ベクトル値関数の微分
実数の開区間UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-652-QINU上で定義され,ｎ次元の実ベクトル(UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-653-QINU)に
値をとる関数UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-654-QINUを考える。
この関数の微分可能性は、実数値関数の微分と同じように定義される。
定義;ベクトル値関数の微分可能性
ベクトル値関数 UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-655-QINU が、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-656-QINU で微分可能とは、
あるｎ次元ベクトル UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-657-QINU が存在して
ユークリッド・ノルムのもとで
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-658-QINU
となること。
言い換えると
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-659-QINU
(注）ベクトル UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-660-QINU のユークリッドノルムとは、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-661-QINU
のことで、２ーノルムとも呼ばれる。
任意のｐ－ノルム UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-662-QINU の等価性から
極限は、どのｐ－ノルムでとっても、等価である。
本テキストの「8.1 平面と空間のベクトル」の
「1.4.3 一般のノルムの定義とノルムの同等性」 を参照のこと。
導関数の線形性の性質も成り立つ。
ベクトル値関数の微分とその成分関数の微分の関係
関数値UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-663-QINUはUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-664-QINUの要素なので
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-665-QINU
と表示できる。
するとUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-666-QINUのｎ個の成分関数
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-667-QINU
が得られる。
命題；
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-668-QINUがUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-669-QINUで微分可能UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-670-QINUUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-671-QINUがUNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-672-QINUで微分可能。
この時、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-673-QINU
ベクトル積の微分
命題
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-674-QINU と UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-675-QINUは、開区間Ｉ上で定義され、
微分可能なベクトル値関数とする。すると、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-676-QINU は微分可能で、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-677-QINU
証明
すでにこのテキストで紹介した、ベクトル値関数の微分の定義
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-678-QINU UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-679-QINU (1)
を用いて証明する。
この極限が存在し、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-680-QINU
になることを示せば命題は証明できたことになる。
極限の計算が進むよう、右辺の式の分母は変形しよう。
関数の積の微分公式の証明と同じ技巧を用いる。
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-681-QINU
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-682-QINU
ベクトル積の命題３を利用すると、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-683-QINU
この式を式(１)の右辺の分子の項に代入し整頓すると
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-684-QINU
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-685-QINU
ベクトル積の命題４を使い、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-686-QINU
極限の命題を使って、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-687-QINU
式中の極限は、UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-688-QINUが、微分可能なので存在し、
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-689-QINU
UNIQ14525a9f7a843bb8-MathJax-690-QINU
