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Topos Uranos

要約

この課は本コースの最後の単元を開く。この単元は、導関数が一点で語ることから、区間で語ることへと進む。まず単元の道筋を示す。すなわち、ワイエルシュトラスの定理は有界閉区間で連続な関数が最大値と最小値をとることを保証し、フェルマーの定理はそれらを導関数が零になる点に位置づけ、ロル、ラグランジュ、コーシーの定理は導関数の符号を区間全体についての情報に変え、そこからロピタルの定理、単調性、極値の判定法、凹凸、曲率、最適化、ニュートン・ラフソン法が導かれる。また、フェルマーの極大値の求め方からダルブーの定理まで、これらの成果の歴史を、単元の順序とほぼ逆の順序で再構成する。さらに、単元を貫く問題、すなわち局所から大域への移行を定式化し、この移行が実数の完備性に依存することを有理数における例で示す。最後に、これらの応用がサイトのほかのコースと科学と技術のどこで用いられるかを指摘する。

学習目標

  1. 単元の道筋を述べ、各課が何を証明し、それ以前のどの定理や命題を用いるかを説明する。
  2. 関数についての大域的な帰結、たとえば最大値の存在、単調性、ある方法の収束が、なぜ導関数に加えて実数の完備性を必要とするのかを説明する。
  3. フェルマーの極大値の求め方からダルブーの定理まで、単元の諸定理をその歴史的文脈に位置づけ、それらが発見された順序と証明される順序を区別する。
  4. 導関数の応用が、ほかのコースと科学技術上の応用のどこに現れるかを指摘する。

導入テスト

単元に取りかかる前に、出発点を測っておくとよい。このテストは自分で確かめるためのもので、採点はされない。どこで立ち止まるべきかを知るためのものである。最初の九問は、単元の内容の九つの課を順に一つずつ扱い、覚えておく言明ではなく、その中心となる定理の理解(何を保証し、どのような仮定のもとで成り立ち、何を保証しないか)を測る。同じ技能は、最後のまとめの課で、別のデータを使って改めて測る。最後の五問は、この単元が前の二つの単元から既知とするものを確かめる。すなわち、ボルツァーノの定理、1 点での微分係数の符号、2 階導関数、陰関数の微分法、同値な無限小である。

導入テスト

単元を始める前に、自分の出発点を測りましょう。短い自己評価です。採点はされず、結果はあなたのブラウザーにだけ保存されます。

  1. 問 1ワイエルシュトラスの定理が、関数が指定された集合で最大値をとることを保証するのは、以下のうちどの場合か。

  2. 問 2関数 ff は R\mathbb{R} で微分可能であり、f(0)=1f(0) = 1 かつ ∣f′(x)∣≤2\abs{f'(x)} \leq 2(すべての xx について)である。f(3)f(3) について何が言えるか。

  3. 問 3lim⁡x→0x2sin⁡1xsin⁡x\lim_{x \to 0} \frac{x^2 \sin\frac{1}{x}}{\sin x} を求めよ。

  4. 問 4R\mathbb{R} で関数 f(x)=x+cos⁡xf(x) = x + \cos x は狭義単調増加か。

  5. 問 5関数 ff は [0,4]\icc{0}{4} で連続であり、(0,4)\ioo{0}{4} の各点で微分可能(ただし 11 を除く)で、その導関数は 33 でのみ零になる。f(0)=2f(0) = 2、f(1)=−1f(1) = -1、f(2)=3f(2) = 3、f(3)=5f(3) = 5、f(4)=4f(4) = 4 のとき、[0,4]\icc{0}{4} における最大値と最小値は何か。

  6. 問 6f(x)=x5−5x4f(x) = x^5 - 5x^4 の変曲点はどれか。

  7. 問 7f(x)=1xf(x) = \frac{1}{x} のグラフの点 (1,1)(1, 1) における接触円はどれか。

  8. 問 8放物線 y=x2y = x^2 の点のうち、点 (0,2)(0, 2) に最も近いものはどれか。

  9. 問 9関数 f(x)=ex−3f(x) = e^x - 3 は R\mathbb{R} で単調増加かつ下に凸であり、その根は ln⁡3\ln 3 で、1.09861.0986 に近い。x0=0x_0 = 0 から始めると、ニュートン・ラフソン法の反復値はどうなるか。

  10. 問 10前の単元から関数 ff は [0,1]\icc{0}{1} で連続であり、f(0)=1f(0) = 1、f(1)=−1f(1) = -1 である。何が言えるか。

  11. 問 11前の単元から関数 ff は aa を含む開区間で定義され、f′(a)>0f'(a) > 0 である。何が言えるか。

  12. 問 12前の単元からf′′(1)f''(1) を求めよ。ただし f(x)=x2ln⁡xf(x) = x^2 \ln x とする。

  13. 問 13前の単元から方程式 x2+xy+y2=3x^2 + xy + y^2 = 3 は点 (1,1)(1, 1) の近くで微分可能な関数 y(x)y(x) を定め、y(1)=1y(1) = 1 である。y′(1)y'(1) はいくらか。

  14. 問 14前の単元からlim⁡x→0ln⁡(1+x2)1−cos⁡x\lim_{x \to 0} \frac{\ln\left(1 + x^2\right)}{1 - \cos x} を求めよ。