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Topos Uranos

導関数:まとめと挑戦課題

要約

この課は導関数の単元を締めくくる。単元の十の課が証明したことを一本の演繹の鎖にまとめる。すなわち、平均変化率の極限としての微分係数、その三つの同値な特徴づけと微分法の公式であり、公式はすべて、0 になりうる量で割ることなく、カラテオドリの分解から得られる。これに初等関数の導関数と合成関数の微分法が加わる。次に、逆関数の微分法の土台となる中間値の定理と逆関数の連続性、そして任意の底の累乗と指数関数の自然指数関数への帰着である。さらに、高階導関数、微分、変化率である。この課は、単元が前の単元と代数と幾何 I および II にどのように基づき、導関数の応用をどのように準備するかを説明する。最後に、導入テストと対をなすまとめテストと、十の挑戦課題を置く。挑戦課題は各課の問題より難しく、どれも複数の課の結果を組み合わせる。

学習目標

  1. 単元の主要な定義と定理を論理的な順序で述べ、それぞれがどの先行する結果に依存し、どの証明でカラテオドリの分解が再び使われるかを示す。
  2. 単元が認めることと証明することを区別し、各結果の仮定、たとえば逆関数の微分法の仮定や陰関数の微分法が必要とする仮定を見分ける。
  3. 単元の結果を、極限と連続性の単元、代数と幾何 I および II、導関数の応用と関係づける。
  4. 微分係数の定義、微分法の公式、合成関数の微分法、中間値の定理、逆関数の微分法、指数が変化する累乗、高階導関数、微分、変化率を組み合わせる、型どおりでない問題を解く。

単元で達成したこと

単元全体は一つの考えに基づいている。微分係数は極限であり、前の単元がそれを計算し扱うのに必要なものをすでにすべて与えていた、ということである。しかし平均変化率は割り算であり、0 になりうる増分で割ることが、欠陥のある証明の源である。カラテオドリの特徴づけは割り算を積に置き換える。そこには因子 φ\varphi があり、これは aa で連続である:

f(x)−f(a)=φ(x)(x−a),φ(a)=f′(a)f(x) - f(a) = \varphi(x)(x - a), \qquad \varphi(a) = f'(a)

これにより、関数が微分可能であることを示すことは、その増分を連続な因子で分解することに帰着し、因子の連続性は前の単元の定理が決める。こうして一次結合、積、逆数の微分法、合成関数の微分法、逆関数の微分法が得られた。それぞれが前のものをやり直すのではなく引用している。

定義と微分法

極限としての導関数についての課は、接線と速度の両方から同じ定義に達し、それが意味をもつ場所を定めた。定義域の点で、定義域の集積点であるような点である。微分係数を量化された命題として書き、片側微分係数を平均変化率の片側極限として定義し、接線と法線、導関数、ライプニッツの記法を定義し、微分係数が三つの同値な定式化をもつことを証明した。平均変化率の極限、近似 f(a+h)=f(a)+f′(a)h+o⁡(h)f(a + h) = f(a) + f'(a)h + \operatorname{o}(h)、カラテオドリの分解である。最後のものから、微分可能ならば連続であることが二行で出た。絶対値と立方根は、その逆が成り立たないことを示した。微分法の公式についての課は、まず微分係数がその点の近くで起こることだけに依存することを証明し、次に分解を組み合わせて、一次結合、積、逆数、商の微分法を証明した。それらを用いて整数乗の累乗、多項式、有理関数を微分し、二つの区分のつなぎ目の点で微分可能性を判定した。そこでは各式の導関数だけでは足りない。初等関数の導関数についての課は、正弦と余弦の導関数を三角関数の基本的な極限と加法定理から、自然指数関数と ln⁡∣x∣\ln \abs{x} の導関数を重要な極限から、合成関数の微分法も逆関数の微分法も使わずに得て、残りの三角関数と双曲線関数の導関数を微分法の公式で得た。合成関数の微分法についての課は、二つの分解をつなぎ合わせ、g(x)−g(a)g(x) - g(a) で割る証明が内側の関数が同じ値を繰り返すときに破綻する理由を説明し、合成関数の定義域に注意を払い、その公式をライプニッツの記法で書いた。この記法では分数の約分のように見えるが、そうではない。

連続性、逆関数と指数

中間値の定理についての課は、関数が負になる点の集合の上限と符号の保存を用いてボルツァーノの定理を証明し、そこから中間値の定理、連続関数による区間の像が区間であること、区間で連続かつ狭義単調な関数の逆関数が連続であることを得た。二分法はこの証明を一つの手順に変えた。逆関数の微分法についての課は、カラテオドリの分解を逆向きに読んだ。f′(a)≠0f'(a) \neq 0 ならば因子は 0 にならず、その逆数を連続な逆関数と合成したものが逆関数の増分を分解する。f′(a)=0f'(a) = 0 ならば、合成関数の微分法により逆関数は微分可能になりえない。この定理を用いて、逆三角関数、逆双曲線関数、累乗根、有理数乗の累乗を微分し、陰関数を微分した。そのつど、それらが存在して微分可能であると仮定した。指数にある変数についての課は、ax=exln⁡aa^x = e^{x \ln a} と (f(x))g(x)=eg(x)ln⁡f(x)\left(f(x)\right)^{g(x)} = e^{g(x) \ln f(x)} によってすべてを自然指数関数に帰着させた。任意の底の指数関数と対数、実数乗の累乗、底と指数がともに変化する累乗を微分し、対数をとる前に微分可能性を証明することで対数微分法を正当化し、原点を通る対数関数の接線を用いて πe<eπ\pi^e < e^\pi を判定した。

高階導関数と変化率

高階導関数と微分についての課は、高階導関数をその定義域とともに再帰的に定義し、累乗、指数関数、正弦、余弦の nn 階導関数の公式と、二項係数をもつライプニッツの公式を帰納法で証明した。dy\mathrm{d}y と dx\mathrm{d}x にそれぞれ別々に意味を与えた。微分 dy=f′(x) dx\mathrm{d}y = f'(x) \, \mathrm{d}x は増分の一次の部分のうち、増分との差が Δx\Delta x に比べて無視できるただ一つのものである。微分を値の近似と誤差の伝播の見積もりに用いたが、近似の誤差の上界は与えなかった。それには後の道具が要る。変化率についての課は、微分係数を量が変化する速さとして読んだ。平均変化率、瞬間の変化率、相対変化率を区別し、相対変化率が一定の増加を特徴づけ、直線上の運動を速度、速さ、加速度で記述し、1 点での微分係数の符号が近くの値について何を語り、それ以上は語らないかを証明し、関連する変化率のための明示的な方法を合成関数の微分法の上に築いた。

認めること、証明すること、残ること

単元の総括は次のようにまとめられる。

  • 認めるのは次のものである。完備性公理(この単元でこれを直接使うのはボルツァーノの定理だけである)、極限と連続性の単元の定理、そして代数と幾何で証明された結果、すなわち加法定理、基本恒等式、指数法則と対数の性質、不等式 ex≥1+xe^x \geq 1 + x、逆関数を定める関数の単調性、帰納法、二項定理である。さらに、方程式を陰関数として微分するときには、そのつど、それが微分可能な関数を定めると仮定する。
  • 代数と幾何が認めていたか予告していた事実を証明する。中間値の定理、exe^x のグラフの (0,1)(0, 1) における接線の傾きが 11 であること、そして ee が、その指数関数がこの傾きをもつただ一つの底であることである。また接線は、円錐曲線については曲線に接して横切らない直線として定義されていたが、任意のグラフに対して定義されるようになる。
  • 議論を繰り返す代わりに四つの道具を再利用する。カラテオドリの分解、微分可能ならば連続という定理、微分係数の局所性、符号の保存である。
  • 1 点での微分係数以上のものを必要とすることは後に残す。平均値の定理とそこから導かれること、導関数の符号による単調性、極値、ロピタルの定理、微分の誤差の上界は続く単元で、テイラー多項式と積分は微分積分学 II で、陰関数の存在を保証する定理は多変数の微分積分学で扱う。

次の図は、三つの区間を一本の鎖にまとめたものである。列の各節点は定義か定理で、論理的な順序で番号が付き、その証明が用いる先行する環と弧で結ばれている。そのまわりに浮かぶのが支え、すなわち鎖が何度も立ち返る原理と道具であり、それぞれは、よりかかる環と実線で結ばれ、それが確立される環と点線で結ばれる。ただし、前の単元や代数と幾何から来るものは例外で、輪として描かれる。支えを押すと、それを使うすべての環が強調され、各環はそれが証明される課へのリンクになっている。

鎖の支え

  • A完備性公理. 代数と幾何 I 以来、実数が完備な順序体をなすこと、すなわち上に有界な空でない実数の集合はすべて上限をもつことを認める。 この単元では証明なしに認める。
  • B単元 1 から受け継いだもの. 極限と連続性の単元で証明された結果。制限の極限と合成の極限を含む極限の演算法則、片側極限、連続性と演算および合成の連続性、初等関数の連続性と像が区間である単調関数の逆関数の連続性、sin⁡hh\frac{\sin h}{h}、1−cos⁡hh\frac{1 - \cos h}{h}、eh−1h\frac{e^h - 1}{h}、ln⁡(1+h)h\frac{\ln(1 + h)}{h} の 00 における極限、そしてスモールオー o⁡\operatorname{o} と同値。 この単元では証明なしに認める。
  • C符号の保存. 極限と連続性の単元で証明された。ff が aa において極限 L≠0L \neq 0 に近づくならば、aa の近くでその関数は LL と同じ符号をもつ。また ff が aa で連続で f(a)≠0f(a) \neq 0 ならば、aa の近くで f(a)f(a) と同じ符号をもち、0 にならない。 この単元では証明なしに認める。
  • D代数と幾何から受け継いだもの. 代数と幾何 I および II で証明された結果。帰納法、二項定理、パスカルの法則、三角関数と双曲線関数の加法定理と基本恒等式、指数法則と対数の性質、底の変換と不等式 ex≥1+xe^x \geq 1 + x、そして逆三角関数を定める制限の単調性と双曲線関数の単調性。 この単元では証明なしに認める。
  • Eカラテオドリの分解. ff が aa で微分可能で f′(a)=Lf'(a) = L であるための必要十分条件は、関数 φ\varphi が存在して、aa で連続で、φ(a)=L\varphi(a) = L であり、定義域全体で f(x)−f(a)=φ(x)(x−a)f(x) - f(a) = \varphi(x)(x - a) となることである。微分するには割り算をせず、増分を分解すれば足りる。 確立される環: 3. 三つの特徴づけ.
  • F微分可能ならば連続. 1 点で微分可能な関数はその点で連続である。微分法の公式は、カラテオドリの因子が連続になるようにこれを用いる。 確立される環: 4. 微分可能ならば連続.
  • G局所性. aa における微分係数は、関数をある集合に制限しても、aa がその集合の集積点である限り変わらず、aa の近くの値だけに依存する。そのため、定義域の共通部分や開区間で考える。 確立される環: 5. 微分係数の局所性.
  1. 第 1 区間 定義と微分法

    • 定義域の集積点における微分係数を平均変化率の極限として、片側微分係数とともに定義し、量化された命題として書く。
    • 平均変化率、一次近似、カラテオドリの分解の同値性を証明し、微分可能ならば連続であるが逆は成り立たないことを導く。
    • 増分で割らずに分解によって一次結合、積、逆数、商の微分法を得て、多項式、有理関数、区分的に定義された関数を微分する。
    • 前の単元の極限を用いて三角関数、指数関数、対数関数、双曲線関数を微分し、合成関数の微分法でそれらの合成を微分する。
    1. 微分係数の定義. aa が定義域 AA(ff の定義域)の要素で AA の集積点であるとき、f′(a)=Lf'(a) = L であるとは (∀ε>0)(∃δ>0)(∀x∈A)(0<∣x−a∣<δ→∣f(x)−f(a)x−a−L∣<ε)(\forall \varepsilon > 0)(\exists \delta > 0)(\forall x \in A)\left(0 < \abs{x - a} < \delta \rightarrow \abs{\frac{f(x) - f(a)}{x - a} - L} < \varepsilon\right) が成り立つことをいう。同値な言い方では lim⁡h→0f(a+h)−f(a)h=L\lim_{h \to 0} \frac{f(a + h) - f(a)}{h} = L である。

      支え: B (単元 1 から受け継いだもの). 証明される授業: 関数の極限としての導関数.

    2. 片側微分係数. 片側微分係数 f+′(a)f'_+(a) と f−′(a)f'_-(a) は平均変化率の片側極限である。aa が両側から定義域の集積点であれば、ff が aa で微分可能であるのは両者が存在して等しいときに限り、片側からだけ集積点であれば、微分係数はその側のものである。

      使う結果: 1. 微分係数の定義. 支え: B (単元 1 から受け継いだもの). 証明される授業: 関数の極限としての導関数.

    3. 三つの特徴づけ. 次は同値である。f′(a)=Lf'(a) = L。f(a+h)=f(a)+Lh+o⁡(h)f(a + h) = f(a) + Lh + \operatorname{o}(h)(hh が 00 に近づくとき)。そして関数 φ\varphi で、aa で連続、φ(a)=L\varphi(a) = L であり、f(x)−f(a)=φ(x)(x−a)f(x) - f(a) = \varphi(x)(x - a) が定義域のすべての xx に対して成り立つものが存在すること。

      使う結果: 1. 微分係数の定義. 支え: B (単元 1 から受け継いだもの). 証明される授業: 関数の極限としての導関数.

    4. 微分可能ならば連続. ff が aa で微分可能ならば、aa で連続である。逆は成り立たない。∣x∣\abs{x} と x3\sqrt[3]{x} は 00 で連続だが、00 で微分可能でない。

      使う結果: 2. 片側微分係数, 3. 三つの特徴づけ. 支え: B (単元 1 から受け継いだもの), E (カラテオドリの分解). 証明される授業: 関数の極限としての導関数.

    5. 微分係数の局所性. FF が ff の集合 BB への制限で、この集合が aa を含み aa がその集積点であり、ff が aa で微分可能ならば、F′(a)=f′(a)F'(a) = f'(a) である。また BB が aa の近くの定義域の点をすべて含むならば、ff が aa で微分可能であるのは FF がそうであるときに限る。

      使う結果: 1. 微分係数の定義. 支え: B (単元 1 から受け継いだもの). 証明される授業: 微分法の公式.

    6. 一次結合と積. ff と gg が aa で微分可能ならば、αf+g\alpha f + g と fgfg も微分可能で、(αf+g)′(a)=αf′(a)+g′(a)(\alpha f + g)'(a) = \alpha f'(a) + g'(a)、(fg)′(a)=f′(a) g(a)+f(a) g′(a)(fg)'(a) = f'(a) \, g(a) + f(a) \, g'(a) である。

      使う結果: 3. 三つの特徴づけ, 4. 微分可能ならば連続. 支え: B (単元 1 から受け継いだもの), E (カラテオドリの分解), F (微分可能ならば連続). 証明される授業: 微分法の公式.

    7. 逆数と商. ff と gg が aa で微分可能で g(a)≠0g(a) \neq 0 ならば、aa は fg\frac{f}{g} の定義域の集積点であり、(1g)′(a)=−g′(a)(g(a))2\left(\frac{1}{g}\right)'(a) = -\frac{g'(a)}{\left(g(a)\right)^2} と (fg)′(a)=f′(a) g(a)−f(a) g′(a)(g(a))2\left(\frac{f}{g}\right)'(a) = \frac{f'(a) \, g(a) - f(a) \, g'(a)}{\left(g(a)\right)^2} が成り立つ。

      使う結果: 3. 三つの特徴づけ, 4. 微分可能ならば連続, 5. 微分係数の局所性, 6. 一次結合と積. 支え: B (単元 1 から受け継いだもの), C (符号の保存), E (カラテオドリの分解), F (微分可能ならば連続), G (局所性). 証明される授業: 微分法の公式.

    8. 累乗、多項式と有理関数. すべての整数 m≠0m \neq 0 について、xmx^m の導関数はその定義域全体で mxm−1m x^{m - 1} である。すべての多項式は R\mathbb{R} で微分可能で、項ごとに微分でき、すべての有理関数はその定義域で微分可能である。

      使う結果: 1. 微分係数の定義, 6. 一次結合と積, 7. 逆数と商. 支え: D (代数と幾何から受け継いだもの). 証明される授業: 微分法の公式.

    9. つなぎ目の点での微分係数. ff が gg(cc の左側)および hh(右側)と一致し、gg と hh が cc で微分可能ならば、ff が cc で微分可能であるのは g(c)=f(c)=h(c)g(c) = f(c) = h(c) かつ g′(c)=h′(c)g'(c) = h'(c) のときに限る。各式の導関数を比べるだけでは足りない。

      使う結果: 2. 片側微分係数, 4. 微分可能ならば連続. 支え: B (単元 1 から受け継いだもの), F (微分可能ならば連続). 証明される授業: 微分法の公式.

    10. 三角関数. すべての実数 xx について ddx(sin⁡x)=cos⁡x\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(\sin x\right) = \cos x かつ ddx(cos⁡x)=−sin⁡x\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(\cos x\right) = -\sin x である。cos⁡x≠0\cos x \neq 0 となるところでは ddx(tan⁡x)=1cos⁡2x=1+tan⁡2x\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(\tan x\right) = \frac{1}{\cos^2 x} = 1 + \tan^2 x である。余接、正割、余割は商と逆数の微分法で微分する。

      使う結果: 1. 微分係数の定義, 6. 一次結合と積, 7. 逆数と商. 支え: B (単元 1 から受け継いだもの), D (代数と幾何から受け継いだもの). 証明される授業: 初等関数の導関数.

    11. 指数関数・対数関数・双曲線関数. ddx(ex)=ex\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(e^x\right) = e^x が R\mathbb{R} で、ddx(ln⁡∣x∣)=1x\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(\ln \abs{x}\right) = \frac{1}{x} が R∖{0}\mathbb{R} \setminus \{0\} で成り立ち、sinh⁡x\sinh x、cosh⁡x\cosh x、tanh⁡x\tanh x の導関数はそれぞれ cosh⁡x\cosh x、sinh⁡x\sinh x、1cosh⁡2x\frac{1}{\cosh^2 x} である。

      使う結果: 1. 微分係数の定義, 6. 一次結合と積, 7. 逆数と商. 支え: B (単元 1 から受け継いだもの), D (代数と幾何から受け継いだもの). 証明される授業: 初等関数の導関数.

    12. 合成関数の微分法. gg が aa で微分可能で、ff(gg の値を含む集合で定義される)が g(a)g(a) で微分可能ならば、(f∘g)′(a)=f′(g(a)) g′(a)(f \circ g)'(a) = f'(g(a)) \, g'(a) である。g(x)−g(a)g(x) - g(a) で割る証明は g′(a)≠0g'(a) \neq 0 のときにしか通用しない。

      使う結果: 3. 三つの特徴づけ, 4. 微分可能ならば連続. 支え: B (単元 1 から受け継いだもの), C (符号の保存), E (カラテオドリの分解), F (微分可能ならば連続). 証明される授業: 合成関数の微分法.

    13. よく現れる合成関数. この公式は、f∘gf \circ g の定義域で、aa がその集積点であるときに成り立つ。これは ff の定義域が g(a)g(a) を中心とする区間を含むときに起こる。これにより、ddx((g(x))m)=m(g(x))m−1g′(x)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(\left(g(x)\right)^m\right) = m \left(g(x)\right)^{m - 1} g'(x)(すべての整数 m≠0m \neq 0 について)、ddx(g(x))=g′(x)2g(x)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(\sqrt{g(x)}\right) = \frac{g'(x)}{2\sqrt{g(x)}}(g(a)>0g(a) > 0 のとき)、ddx(sin⁡g(x))=cos⁡g(x)⋅g′(x)\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(\sin g(x)\right) = \cos g(x) \cdot g'(x) が成り立つ。

      使う結果: 1. 微分係数の定義, 5. 微分係数の局所性, 8. 累乗、多項式と有理関数, 10. 三角関数, 12. 合成関数の微分法. 支え: C (符号の保存), F (微分可能ならば連続), G (局所性). 証明される授業: 合成関数の微分法.

  2. 第 2 区間 連続性、逆関数と指数

    • 上限を用いてボルツァーノの定理を証明し、それによって中間値の定理、連続関数による区間の像が区間であること、連続かつ狭義単調な関数の逆関数が連続であることを証明する。
    • カラテオドリの分解を逆向きに読んで逆関数の微分法を証明し、逆三角関数、逆双曲線関数、累乗根、有理数乗の累乗を微分する。
    • 導関数の計算とその存在の証明を区別して、陰関数を微分する。
    • 任意の底の指数関数と対数、実数乗の累乗、底と指数がともに変化する累乗を自然指数関数に帰着させ、対数微分法を正当化する。
    1. ボルツァーノの定理. ff が [a,b]\icc{a}{b} で連続で、f(a)<0<f(b)f(a) < 0 < f(b) または f(a)>0>f(b)f(a) > 0 > f(b) ならば、ある点 cc((a,b)\ioo{a}{b} の点)で f(c)=0f(c) = 0 となるものが存在する。

      支え: A (完備性公理), C (符号の保存). 証明される授業: 中間値の定理.

    2. 中間値の定理. ff が [a,b]\icc{a}{b} で連続ならば、f(a)f(a) と f(b)f(b) の間にあるすべての値をとる。したがって、連続関数による区間の像は区間である。

      使う結果: 14. ボルツァーノの定理. 支え: B (単元 1 から受け継いだもの). 証明される授業: 中間値の定理.

    3. 逆関数の連続性. ff が区間 II で連続かつ狭義単調ならば、その逆関数は区間 f(I)f(I) で連続である。

      使う結果: 15. 中間値の定理. 支え: B (単元 1 から受け継いだもの). 証明される授業: 中間値の定理.

    4. 逆関数の微分法. ff が区間 II(2 点以上を含む)で連続かつ狭義単調で、aa で微分可能で f′(a)≠0f'(a) \neq 0 ならば、f−1f^{-1} は b=f(a)b = f(a) で微分可能で (f−1)′(b)=1f′(a)\left(f^{-1}\right)'(b) = \frac{1}{f'(a)} である。f′(a)=0f'(a) = 0 ならば、f−1f^{-1} は bb で微分可能でない。

      使う結果: 1. 微分係数の定義, 3. 三つの特徴づけ, 12. 合成関数の微分法, 15. 中間値の定理, 16. 逆関数の連続性. 支え: B (単元 1 から受け継いだもの), E (カラテオドリの分解). 証明される授業: 逆関数の微分法と陰関数の微分法.

    5. 初等関数の逆関数と累乗根. それぞれの微分可能な範囲で ddx(arcsin⁡x)=11−x2\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(\arcsin x\right) = \frac{1}{\sqrt{1 - x^2}}、ddx(arctan⁡x)=11+x2\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(\arctan x\right) = \frac{1}{1 + x^2}、ddx(arcsinh⁡x)=1x2+1\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(\operatorname{arcsinh} x\right) = \frac{1}{\sqrt{x^2 + 1}} である。xn\sqrt[n]{x} はその定義域のすべての x≠0x \neq 0 で微分可能で、00 では微分可能でない。そして ddx(xpq)=pqxpq−1\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(x^{\frac{p}{q}}\right) = \frac{p}{q} x^{\frac{p}{q} - 1} が (0,∞)\ioo{0}{\infty} で成り立つ。

      使う結果: 8. 累乗、多項式と有理関数, 10. 三角関数, 11. 指数関数・対数関数・双曲線関数, 13. よく現れる合成関数, 17. 逆関数の微分法. 支え: B (単元 1 から受け継いだもの), D (代数と幾何から受け継いだもの). 証明される授業: 逆関数の微分法と陰関数の微分法.

    6. 底が a の指数関数と対数. a>0a > 0 かつ a≠1a \neq 1 ならば、ddx(ax)=axln⁡a\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(a^x\right) = a^x \ln a かつ ddx(log⁡a∣x∣)=1xln⁡a\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(\log_a \abs{x}\right) = \frac{1}{x \ln a} である。uu がある点で微分可能ならば eu(x)e^{u(x)} もそこで微分可能で、導関数は eu(x)u′(x)e^{u(x)} u'(x) である。さらに uu がそこで 0 にならなければ、ln⁡∣u(x)∣\ln \abs{u(x)} もそこで微分可能で、導関数は u′(x)u(x)\frac{u'(x)}{u(x)} である。

      使う結果: 6. 一次結合と積, 11. 指数関数・対数関数・双曲線関数, 12. 合成関数の微分法, 13. よく現れる合成関数. 支え: D (代数と幾何から受け継いだもの). 証明される授業: 指数にある変数と対数微分法.

    7. 実数乗と変数乗の累乗. すべての実数 rr について ddx(xr)=rxr−1\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(x^r\right) = r x^{r - 1} が (0,∞)\ioo{0}{\infty} で成り立つ。ff(正の値をとる)と gg が aa で微分可能ならば、F(x)=(f(x))g(x)=eg(x)ln⁡f(x)F(x) = \left(f(x)\right)^{g(x)} = e^{g(x) \ln f(x)} は aa で微分可能で、F′(a)=(f(a))g(a)(g′(a)ln⁡f(a)+g(a)f′(a)f(a))F'(a) = \left(f(a)\right)^{g(a)} \left(g'(a) \ln f(a) + \frac{g(a) f'(a)}{f(a)}\right) である。

      使う結果: 6. 一次結合と積, 11. 指数関数・対数関数・双曲線関数, 12. 合成関数の微分法, 19. 底が a の指数関数と対数. 支え: D (代数と幾何から受け継いだもの). 証明される授業: 指数にある変数と対数微分法.

    8. 対数微分法. f1,…,fkf_1, \ldots, f_k が aa で微分可能で aa で 0 にならず、fjf_j が正(rjr_j が整数でないとき)ならば、F=f1r1⋯fkrkF = f_1^{r_1} \cdots f_k^{r_k} は aa で微分可能で、F′(a)F(a)=r1f1′(a)f1(a)+⋯+rkfk′(a)fk(a)\frac{F'(a)}{F(a)} = r_1 \frac{f_1'(a)}{f_1(a)} + \cdots + r_k \frac{f_k'(a)}{f_k(a)} である。微分可能性は対数をとる前に証明する。

      使う結果: 4. 微分可能ならば連続, 5. 微分係数の局所性, 6. 一次結合と積, 13. よく現れる合成関数, 19. 底が a の指数関数と対数, 20. 実数乗と変数乗の累乗. 支え: D (代数と幾何から受け継いだもの), F (微分可能ならば連続), G (局所性). 証明される授業: 指数にある変数と対数微分法.

    9. π の e 乗と e の π 乗. すべての x>0x > 0 について x1x≤e1ex^{\frac{1}{x}} \leq e^{\frac{1}{e}} が成り立ち、等号は x=ex = e のときに限る。対数関数がその接線 y=xey = \frac{x}{e} の下にあるからである。特に πe<eπ\pi^e < e^\pi である。

      使う結果: 11. 指数関数・対数関数・双曲線関数. 支え: D (代数と幾何から受け継いだもの). 証明される授業: 指数にある変数と対数微分法.

  3. 第 3 区間 高階導関数と変化率

    • 高階導関数を定義し、累乗、指数関数、正弦、余弦の nn 階導関数の公式とライプニッツの公式を帰納法で証明する。
    • dy\mathrm{d}y と dx\mathrm{d}x にそれぞれ別々に意味を与え、微分が増分の主要部であることを証明し、微分を近似と誤差の見積もりに用いる。ただし誤差の上界は与えない。
    • 微分係数を平均変化率、瞬間の変化率、相対変化率として読み、それを用いて直線上の運動を記述する。
    • 合成関数の微分法と明示的な方法で、関連する変化率の問題を解く。
    1. 高階導関数. f(0)=ff^{(0)} = f かつ f(n+1)=(f(n))′f^{(n + 1)} = \left(f^{(n)}\right)' であり、それぞれの定義域は一つ手前の導関数が微分可能な点からなる。ff と gg が開区間で nn 回微分可能ならば、(αf+g)(n)=αf(n)+g(n)\left(\alpha f + g\right)^{(n)} = \alpha f^{(n)} + g^{(n)} である。

      使う結果: 6. 一次結合と積. 支え: D (代数と幾何から受け継いだもの), G (局所性). 証明される授業: 高階導関数と微分.

    2. n 階導関数. (0,∞)\ioo{0}{\infty} で dndxn(xr)=r(r−1)⋯(r−n+1) xr−n\frac{\mathrm{d}^n}{\mathrm{d}x^n}\left(x^r\right) = r(r - 1)\cdots(r - n + 1) \, x^{r - n} である。すべての実数 xx について dndxn(ecx)=cnecx\frac{\mathrm{d}^n}{\mathrm{d}x^n}\left(e^{cx}\right) = c^n e^{cx} かつ dndxn(sin⁡x)=sin⁡(x+nπ2)\frac{\mathrm{d}^n}{\mathrm{d}x^n}\left(\sin x\right) = \sin\left(x + \frac{n\pi}{2}\right) である。多項式 ff の係数は数 f(k)(0)k!\frac{f^{(k)}(0)}{k!} である。

      使う結果: 8. 累乗、多項式と有理関数, 13. よく現れる合成関数, 19. 底が a の指数関数と対数, 20. 実数乗と変数乗の累乗, 23. 高階導関数. 支え: D (代数と幾何から受け継いだもの). 証明される授業: 高階導関数と微分.

    3. ライプニッツの公式. ff と gg が開区間で nn 回微分可能ならば、fgfg もそうであり、(fg)(n)=∑k=0n(nk)f(k)g(n−k)(fg)^{(n)} = \sum_{k = 0}^{n} \binom{n}{k} f^{(k)} g^{(n - k)} である。

      使う結果: 6. 一次結合と積, 23. 高階導関数. 支え: D (代数と幾何から受け継いだもの). 証明される授業: 高階導関数と微分.

    4. 微分. ff が aa で微分可能ならば、増分 Δy=f(a+Δx)−f(a)\Delta y = f(a + \Delta x) - f(a) は Δy=dy+o⁡(Δx)\Delta y = \mathrm{d}y + \operatorname{o}(\Delta x)(ただし dy=f′(a) Δx\mathrm{d}y = f'(a) \, \Delta x)をみたし、Δx\Delta x の他のどの一次関数もこれをみたさない。f′(a)≠0f'(a) \neq 0 ならば Δy∼dy\Delta y \sim \mathrm{d}y である。w=f(u)w = f(u) ならば dw=f′(u) du\mathrm{d}w = f'(u) \, \mathrm{d}u である。

      使う結果: 3. 三つの特徴づけ, 6. 一次結合と積, 7. 逆数と商, 12. 合成関数の微分法. 支え: B (単元 1 から受け継いだもの). 証明される授業: 高階導関数と微分.

    5. 一定の相対変化率. y(t)=y0ekty(t) = y_0 e^{kt}(y0>0y_0 > 0、k≠0k \neq 0)ならば、相対変化率 y′(t)y(t)\frac{y'(t)}{y(t)} はあらゆる時刻で kk に等しく、y(t+T)=ekTy(t)y(t + T) = e^{kT} y(t) である。量は、長さ ln⁡2∣k∣\frac{\ln 2}{\abs{k}} の各時間区間ごとに 2 倍になるか半分になる。

      使う結果: 19. 底が a の指数関数と対数. 支え: D (代数と幾何から受け継いだもの). 証明される授業: 変化率と関連する変化率.

    6. 1 点での微分係数の符号. ff が開区間 II で定義され、点 aa(II の点)で微分可能で f′(a)>0f'(a) > 0 ならば、δ>0\delta > 0 が存在して、xx(II の点)すべてについて、f(x)<f(a)f(x) < f(a)(a−δ<x<aa - \delta < x < a のとき)および f(x)>f(a)f(x) > f(a)(a<x<a+δa < x < a + \delta のとき)となる。ff が aa の近くで増加することは導かれない。ここから、速度と加速度が同じ符号をもつとき速さが増すことが従う。

      使う結果: 1. 微分係数の定義, 6. 一次結合と積. 支え: C (符号の保存). 証明される授業: 変化率と関連する変化率.

    7. 関連する変化率. uu が t0t_0 で微分可能で y(t)=g(u(t))y(t) = g(u(t))、ただし gg は u(t0)u(t_0) で微分可能であるならば、y′(t0)=g′(u(t0)) u′(t0)y'(t_0) = g'(u(t_0)) \, u'(t_0) である。また、ある区間のあらゆる時刻で等しく、t0t_0 で微分可能な二つの式は、t0t_0 で同じ導関数をもつ。

      使う結果: 12. 合成関数の微分法. 証明される授業: 変化率と関連する変化率.

応用へ. 鎖は、微分係数が研究の対象であることをやめて道具になるところで止まる。続く単元はワイエルシュトラスの最大値・最小値定理から始まる。1 点での微分係数の符号を用いてフェルマーの定理を証明し、そこからロルの定理と平均値の定理を証明する。これらは導関数の符号を単調性に変え、ロピタルの定理、極値、凹凸、そして微分がもたない誤差の上界を与える。最後は、曲線をその接線で置き換えるニュートン・ラフソン法である。