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微分びぶんほう

出典しゅってん: フリー百科ひゃっか事典じてん『ウィキペディア(Wikipedia)』
函数かんすうのグラフ(くろ)とその接線せっせんあか)。接線せっせんかたむきが接点せってんにおける函数かんすう微分びぶん係数けいすうひとしい。

数学すうがくにおける微分びぶんほう(びぶんほう、えい: differential calculus; 微分びぶんがく)は微分びぶん積分せきぶんがく分科ぶんかで、りょう変化へんか注目ちゅうもくして研究けんきゅうおこなう。微分びぶんほう積分せきぶんほうならび、微分びぶん積分せきぶんがく二分にぶんする歴史れきしてき分野ぶんやである。

微分びぶんほうにおけるだいいち研究けんきゅう対象たいしょう関数かんすう微分びぶん微分びぶんしょう微分びぶん係数けいすう)、および無限むげんしょうなどの関連かんれん概念がいねんやその応用おうようである。函数かんすう選択せんたくされた入力にゅうりょくにおける微分びぶんしょう入力にゅうりょく近傍きんぼうでの函数かんすう変化へんかりつ記述きじゅつするものである。微分びぶんしょうもとめる過程かていもまた、微分びぶん (differentiation) とばれる。幾何きか学的がくてきにはグラフじょういちてんにおける微分びぶん係数けいすうは、それが存在そんざいしてそのてんにおいて定義ていぎされるならば、そのてんにおけるグラフ接線せっせんかたむである。一変いっぺんすうじつ数値すうち関数かんすうたいしては、いちてんにおける函数かんすう微分びぶん一般いっぱんにそのてんにおける函数かんすう最適さいてき線型せんけい近似きんじさだめる。

微分びぶんほう積分せきぶんほうつなぐのが微分びぶん積分せきぶんがく基本きほん定理ていりであり、これは積分せきぶん微分びぶんぎゃくおこな過程かていであることをべるものである。

微分びぶんりょうあつかうほとんどすべての分野ぶんや応用おうようつ。たとえば物理ぶつりがくにおいて、うご物体ぶったい変位へんい時間じかんかんするしるべ函数かんすうはその物体ぶったい速度そくどであり、速度そくど時間じかんかんするしるべ函数かんすう加速度かそくどである。物体ぶったい運動うんどうりょうしるべ函数かんすうはその物体ぶったいおよぼされたちからひとしい(この微分びぶんかんする言及げんきゅう整理せいりすれば運動うんどうだい2法則ほうそくむすけられる有名ゆうめい方程式ほうていしき F = maみちびかれる)。化学かがく反応はんのう反応はんのう速度そくどみちびけ函数かんすうである。オペレーションズ・リサーチにおいてしるべ函数かんすう物資ぶっし転送てんそう工場こうじょう設計せっけい最適さいてき応報おうほう決定けっていもちいられる。

しるべ函数かんすう函数かんすう最大さいだい最小さいしょうもとめるのに頻繁ひんぱんもちいられる。しるべ函数かんすうふく方程式ほうていしき微分びぶん方程式ほうていしきばれ、自然しぜん現象げんしょう記述きじゅつにおいて基本きほんてきである。微分びぶんおよびその一般いっぱん数学すうがくおおくの分野ぶんやあらわれ、たとえば複素ふくそ解析かいせき関数かんすう解析かいせきがく微分びぶん幾何きかがく測度そくどろんおよび抽象ちゅうしょうだい数学すうがくなどをげることができる。

微分びぶん[編集へんしゅう]

てん (x,f(x)) における接線せっせん

x および y実数じっすうで、yx函数かんすう、すなわちかく xたいして対応たいおうする yがひとつ存在そんざいすると仮定かていする。この関係かんけいy = f(x)くことができる。f(x)直線ちょくせんたいする等式とうしき線型せんけい方程式ほうていしき)ならばふたつの実数じっすう m および b存在そんざいして y = mx + bつ。この「かたむき・切片せっぺん標準ひょうじゅんがた」において mかたむばれ、差分さぶんしょう

によって決定けっていすることができる。ここに記号きごう Δでるたギリシア文字もじ大文字おおもじデルタ)は変化へんか増分ぞうぶんあらわす。したがって Δでるたy = m Δでるたx

直線ちょくせんでない一般いっぱん函数かんすうでは、かたむきをたないことがこる。幾何きか学的がくてきには、てん x = a における f微分びぶん係数けいすうとは函数かんすう fてん a における接線せっせんかたむきのことをいい、上記じょうき差分さぶんしょう極限きょくげん微分びぶんしょう)にひとしい。これはしばしば微分びぶん記法きほうしたがって f'(a), あるいはライプニッツの記法きほうしたがって dy/dx|x=aかれる。微分びぶんしょうfa における線型せんけい近似きんじかたむきであるから、この微分びぶんしょう(と a における f)はてん aちかくで f最適さいてき線型せんけい近似きんじあるいは線型せんけいせい決定けっていする。

f定義ていぎいきかくてん a において微分びぶんしょう存在そんざいするならば、かくてん afa における微分びぶんしょううつ函数かんすうしるべ函数かんすう)が存在そんざいする。たとえば、f(x) = x2 とすればしるべ函数かんすうf'(x) = dy/dx = 2x である。

これとちかしい関係かんけい概念がいねんとして、関数かんすう微分びぶんがある。接点せってん (a, f(a))原点げんてんとして、かくじく平行へいこう座標軸ざひょうじく dx, dy局所きょくしょ座標ざひょうけいかんがえるとき、この座標ざひょうけいにおいて原点げんてんとおかたむdy/dx|x=a直線ちょくせん(すなわち、もとの座標ざひょうけいでみれば fa における接線せっせん)は dy = dy/dx|x=a dxあらわされる。これは x = a における増分ぞうぶん Δでるたy = Δでるたy/Δでるたx|x=a Δでるたx線型せんけい線型せんけい主要しゅようであり、dyfa における微分びぶんばれる。

x および yじつ変数へんすうのときは fx における微分びぶんしょうf のグラフの x における接線せっせんかたむきであり、fはじめいきおわりいきいち次元じげんであるから、f微分びぶんしょう実数じっすうとしてあたえられるが、x および y がベクトル変数へんすうのとき、f のグラフの最適さいてき線型せんけい近似きんじfいち複数ふくすう方向ほうこうへどれほど変化へんかするかに依存いぞんする。ひとつの方向ほうこうかんする最適さいてき線型せんけい近似きんじをとることはへん微分びぶん通常つうじょうy/xかれる)を決定けっていする。いちにすべての方向ほうこうへの f線型せんけい函数かんすうぜん微分びぶん df という。

微分びぶんほう歴史れきし[編集へんしゅう]

接線せっせんかたむきをるという意味いみえば、微分びぶん係数けいすう概念がいねんふる古代こだいギリシアエウクレイデス (c. 300 BC), アルキメデス (c. 287–212 BC), ペルガのアポロニウス (c. 262–190 BC) ら幾何きか学者がくしゃたちには馴染なじみのものであった[1]。またアルキメデスは無限むげんしょうもちいる方法ほうほう導入どうにゅうしているが、それは微分びぶん接線せっせんかんしてではなくておも面積めんせき体積たいせきたいしてである(方法ほうほうこう参照さんしょう)。

変化へんかりつ研究けんきゅう無限むげんしょう利用りようすることは、インドの数学すうがくにおいておそらく紀元前きげんぜん500ねんくらいころにはつけることができる。天文学てんもんがくしゃ数学すうがくしゃアーリヤバタ (476–550) はつき軌道きどう研究けんきゅう無限むげんしょうもちいた[2]変化へんかりつ計算けいさん無限むげんしょうもちいる手法しゅほうバースカラ2せい (1114–1185) によって飛躍ひやくてきすすめられた。実際じっさいロルの定理ていりなど[3]微分びぶんほうにおける重要じゅうよう概念がいねんがその研究けんきゅう結果けっかにはふくまれているとわれている[4]アラビア数学すうがくシャラフ・アル゠ディン・アル゠ツシ英語えいごばん (1135–1213) はさん関数かんすう微分びぶん係数けいすうはじめてもとめて、微分びぶんほうにおける重要じゅうよう足跡あしあとのこした[5]。その「方程式ほうていしきかんする研究けんきゅう論文ろんぶん」では、しるべ函数かんすう曲線きょくせん最大さいだい最小さいしょうなど、せいかいたないさん方程式ほうていしきくための微分びぶんほうかんする概念がいねん展開てんかいされている[6]

現代げんだいてき微分びぶん積分せきぶんがくは、アイザック・ニュートン (1643–1727) およびゴットフリート・ライプニッツ (1646–1716) の両者りょうしゃ独立どくりつ創始そうししたというのが通例つうれいである[ちゅう 1]。これにより微分びぶんもとめることと接線せっせんかたむきをもとめることとが統一とういつてきあつかわれるようになるが、かれらを創始そうししゃとするかぎとなる洞察どうさつ微分びぶんほう積分せきぶんほうとをむすびつける微分びぶん積分せきぶんがく基本きほん定理ていりであり、これは時代遅じだいおくれの(イブン・ハイサム(アルハゼン)の時代じだい[7]からそれほど拡張かくちょうされたわけではなかった)ふるくからある面積めんせき体積たいせき計算けいさんほうえるものである[ちゅう 2]。ニュートンとライプニッツ両者りょうしゃ微分びぶんかんするかんがかたは、アイザック・バロー (1630–1677), ルネ・デカルト (1596–1650), クリスティアーン・ホイヘンス (1629–1695), ブレーズ・パスカル (1623–1662), ジョン・ウォリス (1616–1703) らすう学者がくしゃいちじるしい先駆せんくてき研究けんきゅううえちたてられている。一般いっぱんてきにはバローが微分びぶん先駆せんくてき発明はつめいしゃとされる[8]にもかかわらず、ニュートンとライプニッツが微分びぶんほう歴史れきしにおける重要じゅうよう人物じんぶつであることにわりないのは、すくなくともニュートンが微分びぶんほう理論りろん物理ぶつりがく応用おうようした最初さいしょひとであり、一方いっぽうライプニッツは今日きょうにおいても使用しようされる系統けいとうてき記号きごうほうしたといった理由りゆうによる。

17世紀せいき以降いこうおおくの数学すうがくしゃ微分びぶんほう貢献こうけんしている。19世紀せいきには、微分びぶん積分せきぶんがくオーギュスタン=ルイ・コーシー (1789–1857), ベルンハルト・リーマン (1826–1866), カール・ワイエルシュトラス数学すうがくしゃによってより厳密げんみつ基礎きそうえかれることになる。このころにはまた、微分びぶんほうユークリッド空間くうかん複素ふくそ平面へいめんうえへも一般いっぱんされている。

応用おうよう[編集へんしゅう]

最適さいてき問題もんだい[編集へんしゅう]

f実数じっすう直線ちょくせん (またはそのひらけ区間くかんじょう定義ていぎされた微分びぶん可能かのう関数かんすうで、xf極大きょくだいまたは極小きょくしょうあたえるてんとするとき、fしるべ函数かんすうx におけるれいひとしい。f'(x) = 0 なるてん臨界りんかいてんまたは停留ていりゅうてん英語えいごばんばれ、また fx における臨界りんかい英語えいごばんばれる(臨界りんかいてん定義ていぎは、微分びぶん係数けいすう存在そんざいしないてんまでふくめるように拡張かくちょうすることがある)。ぎゃくに、f臨界りんかいてん xfx におけるかいしるべ関数かんすうかんがえることで調しらべることができる:

  • かい微分びぶん係数けいすうせいならば x極小きょくしょうであり、
  • かい微分びぶん係数けいすうまけならば x極大きょくだいであり、
  • かい微分びぶん係数けいすうれいならば x極小きょくしょうかもしれないし極大きょくだいかもしれないしいずれでもないかもしれない。たとえば、f(x) = x3x = 0臨界りんかいてんつがそこでは極小きょくしょうでも極大きょくだいでもない。他方たほう f(x) = ± x4x = 0臨界りんかいてんち、そこでそれぞれ極小きょくしょうおよび極大きょくだいをとる。

これはかい微分びぶん判定はんていほう英語えいごばんばれる。べつなやりかたとして、いちかい微分びぶん判定はんていほう英語えいごばん臨界りんかいてん前後ぜんごにおける f'符号ふごう変化へんかる。

微分びぶんして臨界りんかいてんかんしてくことは、数理すうり最適さいてきにおいて有効ゆうこうきょくもとめるための簡単かんたん方法ほうほうとしてよくもちいられる。最大さいだい最小さいしょう定理ていりにより、閉区あいだじょう定義ていぎされる連続れんぞく函数かんすう区間くかんないすくなくともひとつの最小さいしょうおよび最大さいだい到達とうたつしなければならない。さらに函数かんすう微分びぶん可能かのうならば、極小きょくしょうおよび極大きょくだい臨界りんかいてんまたははしてんでのみ達成たっせいできる。

これはまたグラフをえがくのにも応用おうようつ。微分びぶん函数かんすう極小きょくしょうおよび極大きょくだいがわかったならば、グラフのがいがた臨界りんかいてんあいだ増大ぞうだいするか減少げんしょうするかをることでかる。

こう次元じげんにおいて、スカラー函数かんすう臨界りんかいてんはその勾配こうばいれいになるてんである。かい微分びぶん判定はんていほうは、臨界りんかいてんにおける函数かんすうかいへん微分びぶん係数けいすうからなるヘッセ行列ぎょうれつ固有値こゆうち固有こゆうベクトルかんがえることで、やはり臨界りんかいてん調しらべるのに利用りようできる。すべての固有値こゆうちせいならば臨界りんかいてん極小きょくしょうであり、すべまけならば極大きょくだいであり、いくつかはせいのこりがまけならば臨界りんかいてん鞍点あんてんである。そのいずれの場合ばあいでもない(つまり、いくつかの固有値こゆうちれいである)ならばこの判定はんていほうでは結論けつろんない。

へんぶんほう[編集へんしゅう]

最適さいてき問題もんだいひとつのれいは、「曲面きょくめんじょうてんあいだむす最短さいたん曲線きょくせんもとめよ、曲線きょくせんはある曲面きょくめんじょうければならないものとする」というようなものである。かんがえる曲面きょくめん平面へいめんならば最短さいたん曲線きょくせん直線ちょくせんである。しかし曲面きょくめんたとえばたまごがたのようなものならば最短さいたん経路けいろ問題もんだいはすぐにはあきらかでない。そのような経路けいろ測地そくちせんばれ、へんぶんほうにおけるもっとも単純たんじゅん問題もんだいひとつが、測地そくちせんもとめることである。べつれいは「空間くうかんないの閉曲線へいきょくせんかこ最小さいしょう面積めんせきもとめよ」というものである。この曲面きょくめん極小きょくしょう曲面きょくめんばれ、これもへんぶんほうもちいてもとめることができる。

微分びぶん方程式ほうていしき[編集へんしゅう]

微分びぶん方程式ほうていしき函数かんすうとその各階かくかいしるべ函数かんすうたちのあいだ関係かんけい記述きじゅつするものである。常微分じょうびぶん方程式ほうていしき一変いっぺんすう函数かんすうとその変数へんすうかんするしるべ函数かんすうたいする微分びぶん方程式ほうていしきであり、へん微分びぶん方程式ほうていしき変数へんすう函数かんすうとそのへん微分びぶんたいする微分びぶん方程式ほうていしきである。微分びぶん方程式ほうていしき物理ぶつり科学かがく数理すうりモデリングおよび数学すうがく自身じしんのなかから自然しぜんしょうじてくる。たとえば、ちから加速度かそくど関係かんけい記述きじゅつする運動うんどうだい2法則ほうそくかい常微分じょうびぶん方程式ほうていしき F(t) = md2x/dt2記述きじゅつされる。また、ぐなつつとおねつ拡散かくさん仕方しかた記述きじゅつするひとつの空間くうかん変数へんすうかんするねつ伝導でんどうへん微分びぶん方程式ほうていしき u/t = αあるふぁ2u/x2記述きじゅつされる。ただし、u(x,t)x位置いち時刻じこく t におけるつつ温度おんどあらわし、αあるふぁつつとおねつ拡散かくさん仕方しかた依存いぞんしてまる定数ていすうである。

平均へいきん定理ていり[編集へんしゅう]

平均へいきん定理ていり微分びぶん係数けいすうもと函数かんすうとの関係かんけい記述きじゅつする。f(x)じつ数値すうち函数かんすうa, ba < bたすかずとするとき、平均へいきん定理ていりは、ゆるやかな仮定かていしたてん (a, f(a)) および (b, f(b)) あいだかたむきが abあいだにある適当てきとうてん c における接線せっせんかたむきにひとしいことを主張しゅちょうする。記号きごうけば f'(c) = f(b) − f(a)/baつ。

実用じつようじょうは、平均へいきん定理ていりがやっていることは、しるべ函数かんすうによって函数かんすう自身じしん制御せいぎょすることである。たとえば、fかくてんにおいてれいひとしいしるべ函数かんすうつとすると、これはその接線せっせんいたところ水平すいへいであることを意味いみするから、函数かんすう自身じしん水平すいへいでなければならない。平均へいきん定理ていりはこれが実際じっさいただしいことを証明しょうめいする。f グラフじょう任意にんいてんあいだかたむきは f接線せっせんひとつのかたむきにひとしくなければならず、それはすべれいなのであるから、グラフじょういちてんからべつ任意にんいてんいた任意にんい直線ちょくせんかたむれいでなければならない。そしてそのような函数かんすう上昇じょうしょう下降かこうもできないのだから水平すいへいせんならない。

しるべ函数かんすうたいしてより複雑ふくざつ条件じょうけんあたえれば、正確せいかくせいちるがより有効ゆうこうなもとの函数かんすうかんする情報じょうほうられる。

テイラー展開てんかい[編集へんしゅう]

しるべ函数かんすうあたえられたてんにおいて可能かのう函数かんすう最適さいてき線型せんけい近似きんじあたえるが、それはもとの函数かんすうとは非常ひじょうことなることもある。この近似きんじ改善かいぜんするひとつの方法ほうほうは、近似きんじをとることである。それはつまり、じつ数値すうち函数かんすう f(x)てん x0 における線型せんけいいち多項式たこうしき函数かんすう a + b(xx0) であるのにたいし、より近似きんじ多項式たこうしき a + b(xx0) + c(xx0)2かんがえることでられるかもしれないということである。さん多項式たこうしき a + b(xx0) + c(xx0)2 + d(xx0)3 ならさらによいかもしれないし、このかんがえはより高次こうじ多項式たこうしきたいしてもすすめることができる。これらの多項式たこうしき各々おのおのたいして、可能かのうかぎりの近似きんじ実現じつげんする係数けいすう a, b, c, d最適さいてきえらかたがあるはずである。

x0近傍きんぼうにおいて、a として可能かのう最適さいてき選択せんたくつねf(x0) であり、bたいして可能かのう最適さいてき選択せんたくつねf'(x0) である。c, d およびより高階たかしな係数けいすうについてもそれら係数けいすうf高階たかしな微分びぶんがかりすうによって決定けっていされる。cつねf"(x0)/2 であるはずだし、dつねf'"(x0)/3! となるはずである。これら係数けいすうもちいて fテイラー多項式たこうしきられる。次数じすう d のテイラー多項式たこうしきf最適さいてき近似きんじとなる d-多項式たこうしきであり、その係数けいすう上記じょうきしき一般いっぱんしたものによってもとめられる。テイラーの定理ていりはそれがどの程度ていどよい近似きんじであるのかのくわしい評価ひょうかあたえる。f次数じすう d 以下いか多項式たこうしきならば次数じすう d のテイラー多項式たこうしきf 自身じしん一致いっちする。

テイラー多項式たこうしき極限きょくげんテイラー級数きゅうすうばれる無限むげん級数きゅうすうである。テイラー級数きゅうすうはしばしばもとの函数かんすう非常ひじょう近似きんじあたえる。自身じしんのテイラー級数きゅうすう一致いっちするような函数かんすう解析かいせき関数かんすうばれる。不連続ふれんぞくだったりとがったりしている函数かんすう解析かいせきてきになることはできない。そしてなめらかな関数かんすうだが解析かいせきてきでない函数かんすう存在そんざいする。

かげ函数かんすう定理ていり[編集へんしゅう]

えんなど自然しぜん幾何きかがく図形ずけいのうちにはグラフとしてえがくことができないものが存在そんざいする。たとえば f(x, y) = x2 + y2 − 1けばえんf(x, y) = 0 なるたい (x, y) 全体ぜんたい集合しゅうごうfれいてん集合しゅうごう)である。これは f のグラフとおなじものではない(グラフは円錐えんすいになる)。かげ函数かんすう定理ていりf(x, y) = 0 のような関係かんけい函数かんすう変換へんかんするものである。かげ函数かんすう定理ていりは、fなめらかな関数かんすうならば、ほとんどのてんまわりで fれいてん集合しゅうごう函数かんすうのグラフをあわせたものにえることを主張しゅちょうする。これがりたないてんf微分びぶんかんする条件じょうけんから決定けっていされる。たとえばえん場合ばあいs、ふたつの函数かんすう ± 1 - x2 のグラフのあわせにすることができる。(−1, 0) および (1, 0)のぞ円上えんじょうかくてん近傍きんぼうにおいてこのふたつの函数かんすうのうちの一方いっぽうえんのようにえるグラフをつ(これらふたつの函数かんすう(−1, 0) および (1, 0)まじわるが、かげ函数かんすう定理ていりはそのことは保証ほしょうしない)。

かげ函数かんすう定理ていりは、函数かんすうぎゃく函数かんすうあわせのようにえることをべるぎゃく函数かんすう定理ていりちかしい関係かんけいがある。

注釈ちゅうしゃく[編集へんしゅう]

  1. ^ ニュートンの研究けんきゅうは1666ねんはじまり、ライプニッツは1676ねんはじまる。が、ライプニッツが最初さいしょ論文ろんぶんすのが1684ねんで、1693ねん出版しゅっぱんのニュートンにさきんじている。ライプニッツがニュートンの1673ねんか1676ねん研究けんきゅうドラフトをにしたことや、あるいはニュートンがライプニッツの研究けんきゅう自分じぶん研究けんきゅう洗練せんれんもちいたことなどは、可能かのうせいとしてはありることである。両者りょうしゃたがいに相手あいて自分じぶん仕事しごと盗作とうさくしたと主張しゅちょうした。この顛末てんまつだれ微分びぶん積分せきぶんがく創始そうししゃであるかをめぐって両者りょうしゃにが論争ろんそう英語えいごばんとなり、18世紀せいき初頭しょとう数学すうがくかいおおきな衝撃しょうげきあたえた。
  2. ^ 限定げんていされた特定とくてい場合ばあいかんしてはジェームス・グレゴリー (1638–1675) がすでに証明しょうめいしており、いくつか重要じゅうようれいかんしてはピエール・ド・フェルマー (1601–1665) の仕事しごとつけることができるとはいえ、これは記念きねんてき到達とうたつてんであった。

出典しゅってん[編集へんしゅう]

  1. ^ エウクレイデスの『原論げんろんアルキメデス・パリンプセストおよび O'Connor, John J.; Robertson, Edmund F., “Apollonius of Perga”, MacTutor History of Mathematics archive, University of St Andrews, https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/Biographies/Apollonius/ .を参照さんしょう
  2. ^ O'Connor, John J.; Robertson, Edmund F., “Aryabhata the Elder”, MacTutor History of Mathematics archive, University of St Andrews, https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/Biographies/Aryabhata_I/ .
  3. ^ Broadbent, T. A. A.; Kline, M. (October 1968). “Reviewed work(s): The History of Ancient Indian Mathematics by C. N. Srinivasiengar”. The Mathematical Gazette 52 (381): 307–8. doi:10.2307/3614212. JSTOR 3614212. 
  4. ^ Ian G. Pearce. Bhaskaracharya II.
  5. ^ J. L. Berggren (1990). "Innovation and Tradition in Sharaf al-Din al-Tusi's Muadalat", Journal of the American Oriental Society 110 (2), p. 304-309.
  6. ^ O'Connor, John J.; Robertson, Edmund F., “Sharaf al-Din al-Muzaffar al-Tusi”, MacTutor History of Mathematics archive, University of St Andrews, https://mathshistory.st-andrews.ac.uk/Biographies/Al-Tusi_Sharaf/ .
  7. ^ Victor J. Katz (1995), "Ideas of Calculus in Islam and India", Mathematics Magazine 68 (3): 163-174 [165-9 & 173-4]
  8. ^ Eves, Howard (1990). An Introduction to the History of Mathematics. Saunders Series (6th ed.). Philadelphia: Saunders College Publishing 

参考さんこう文献ぶんけん[編集へんしゅう]