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Chapter 4. The Derivative
4.1 The derivative
4.1.1 Definition and basics properties
Definition 4.1.1
I:区間, f:I→R,c∈Iについて,
L:=limx→cf(x)−f(c)x−c
が存在するとき,fはcで微分可能であり,Lをfのcにおける微分係数といい,f′(c)=Lと書く.
∀c∈Iで微分可能なとき,単にfは微分可能という.
Proposition 4.1.4
f:I→Rがc∈Iで微分可能なら,cで連続.
proof.
limx→cf(x)−f(c)x−c=f′(x), and limx→c(x−c)=0
が存在することがわかっているから,f(x)−f(c)=(f(x)−f(c))/(x−c)⋅(x−c)の極限は
lim(f(x)−f(c))=limf(x)−f(c)x−clim(x−c)=f′(c)⋅0=0
したがってlimx→cf(x)=f(c)すなわちfはcで連続.
Proposition 4.1.5
f:I→R,g:I→Rがcで微分可能なとき,
(i) ∀α∈Rに, αf(x)はcで微分可能.
(ii) f(x)+g(x)はx=cで微分可能.
proof. 略
Proposition 4.1.6 (Product rule)
4.1.5と同じ条件のもとで,
h(x)=f(x)g(x)とすると,hはcで微分可能で,h′(c)=f(c)g′(c)+f′(c)g(c)が成立する.
proof.
f(x)g(x)−f(c)g(c)x−c=(g(x)−g(c))f(x)x−c+g(c)(f(x)−f(c))x−c
両辺でlimx→cをととると,limf(x),limg(x)−g(c)x−c,f(x)−f(c)x−cが存在するから示せた.
Proposition 4.1.7 (Quotient rule)
4.1.6の条件かつg(x)≠0のとき,h(x)=f(x)/g(x)とすると,
h′(x)=f′(c)g(c)−f(c)g′(c)g(c)2
proof. 略
4.1.2 Chain rule
Proposition 4.1.8 (Chain rule)
I1,I2は区間で,g:I1→I2がc∈I1で微分可能で,f:I2→Rがg(c)∈I2で微分可能で,h(x)=f(g(x))とするとき,hはcで微分可能であって,
h′(c)=f′(g(c))g′(c)
が成立する.
proof. 略
4.1.3 Exercises
Exercise 4.1.11
f:I→Rが有界で,g:I→Rはc∈Iで微分可能であり,g(c)=g′(c)=0とする.h(x):=f(x)g(x)がcで微分可能であると示せ.
f(x)g(x)−f(c)g(c)x−c=(g(x)−g(c))f(x)x−c+g(c)(f(x)−f(c))x−c
であるが,M=sup|f(x)|(maxでもよい)とすると,右辺第一項で
|(g(x)−g(c))f(x)x−c|≤M|(g(x)−g(c))x−c|
から,この項はx→cで0に収束する.
一方,右辺第二項で,g(c)=0からこの項は常に0
よってh(x)はcで微分可能で,微分係数は0.
Exercise 4.1.12
f,g,h:I→Rについて,c∈Iでf(c)=g(c)=h(c)が成り立ち,g,hはcで微分可能で,g′(c)=h′(c)とする.さらに∀x∈I h(x)≤f(x)≤g(x)ならばfもcで微分可能でf′(c)=g′(c)=h′(c)であることを示せ.
h(x)−h(c)x−c,f(x)−f(c)x−c,h(x)−h(c)x−c
について,f,g,hの大小関係から,
h(x)−h(c)x−c≤f(x)−f(c)x−c≤h(x)−h(c)x−c
が常に成立する(f(c)=g(c)=h(c)を使った)
一番左の項と一番右の項がx→cで同じ値に収束するから,真ん中の項も同じ値に収束する.よって示せた(数列のはさみうちの原理(squeeze lemma)はやったけど関数の極限のはさみうちの原理はやってない気がする).
4.2 Mean value theorem
4.2.1 Relative minima and maxima
Definition 4.2..1
f:S→Rがc∈Sで極大値をとる
⇔ |x−c|<δならばf(x)≤f(c)となるようなδ>0が存在する.
極小値も動揺に定義される.
Theorem 4.2.2
f:[a,b]→Rがc∈(a,b)で微分可能でcで極小となるとき,f′(c)=0
proof.
f′(c)=limx→cf(x)−f(c)x−c
であるが,cでfは極小だから,分子は常に非負.一方分母はcの周辺で符号を変えうるから,f′(c)=0.極大のときも同様.
微分可能なfで,f′(c)=0となるcをcritical pointという.一方,定義域に微分不可能な点を含む関数について,cで微分不可能なときにもcはcritical pointであるという.この定理は,閉区間上で定義された関数がcで極値をとるなら,cはfのcritical pointであると主張している.
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