数学Ⅱ : 微分・積分の考え 微分の定義

例題

(1)定義に従って、y=x2+2x+3x=1における微分係数を求めなさい。 (2)定義に従って、y=x3+4を微分しなさい。

アドバイス

まず、微分の定義の復習をしておこう。

復習

微分とは、接線の傾きを求めることである。

図Aにおいて、直線ABの傾きは
yの増加量xの増加量=f(a+h)f(a)(a+h)a
yの増加量xの増加量=f(a+h)f(a)h
である。
点Bを限りなく点Aに近づけると、直線ABは限りなくオレンジ色の接線に近づく。

図A
2274_微分の定義

アニメーション開始

文章ではイメージがつかみにくいから、[アニメーション開始]ボタンを押して目で見て確認してもらいたい。

点Bを点Aに近づけるということは、言いかえれば点Bのx座標を点Aのx座標に近づけることである。
図Aの例だと、a+haに近づけることである。これは、h0に近づけるのと同じことだ。
このことを、数学的には
limh0
と書く。

以上より、x=aのときの接線の傾きをf(a)とすると、

公式

f(a)=limh0f(a+h)f(a)h式A

だと言える。
このaxにおきかえると、接線の傾きを表す関数ができる。これを導関数という。この導関数を求める作業を「微分する」と言う。
式Aのaxにおきかえると、

公式

f(x)=limh0f(x+h)f(x)h式B

となる。これが導関数である。

以上の説明で分かるように、中学校で学習した
傾き=yの増加量xの増加量
を使っているだけなので、原理さえ知っていれば公式はすぐに作れる。なので、必ずしも暗記する必要はないだろう。

(1)

f(x)=x2+2x+3とおく。
求める微分係数をf(1)とすると、式Aより、
f(1)=limh0f(1+h)f(1)h
f(1)=limh0{(1+h)2+2(1+h)+3}(12+21+3)h
f(1)=limh0(1+2h+h2+2+2h+3)6h
f(1)=limh0h2+4hh
f(1)=limh0(h+4)
h0なので、h0を代入して、(アドバイス参照)
f(1)=4
である。

解答4

アドバイス

上の解説中、「h0なので、h0を代入して」という部分。センター試験の範囲では問題ないのだけれど、数Ⅲが必要な人は気をつけてほしい。
数Ⅲの範囲では、関数が連続か、微分可能かの確認をする必要がある。

(2)

f(x)=x3+4とおく。
求める導関数をyとすると、式Bより、
y=limh0f(x+h)f(x)h
y=limh0{(x+h)3+4}(x3+4)h
y=limh0(x+h)3x3h
y=limh0{(x+h)x}{(x+h)2+x(x+h)+x2}h
y=limh0h{(x+h)2+x(x+h)+x2}h
y=limh0{(x+h)2+x(x+h)+x2}
h0なので、h0を代入して、(アドバイス参照)
y=(x+0)2+x(x+0)+x2
y=3x2
となる。

解答y=3x2

アドバイス

数Ⅲが必要な人は「h0なので、h0を代入して」に注意するのは(1)と同じである。