連鎖律

Basis
最終更新: タグ: Calculus, Differentiation

基本法則は関数の算術的な組み合わせを扱うが、(x3+1)100(x^3+1)^{100}sin(x2)\sin(x^2) のような**合成(composition)**の微分は教えてくれない。**連鎖律(chain rule)**がその空白を埋める:fgf \circ g の微分を ffgg それぞれの微分で表すのだ。

定理

定理(連鎖律)。 ggxx で微分可能で ffg(x)g(x) で微分可能とする。このとき合成 hfgh \coloneqq f \circ gxx で微分可能で

h(x)  =  f(g(x))g(x).(1)h'(x) \;=\; f'(g(x)) \cdot g'(x). \tag{1}

ライプニッツ記法で u=g(x)u = g(x)y=f(u)y = f(u) とおくと:

dydx  =  dydududx.\frac{dy}{dx} \;=\; \frac{dy}{du} \cdot \frac{du}{dx}.

証明

素朴な消去 f(g(x+k))f(g(x))k=f(g(x+k))f(g(x))g(x+k)g(x)g(x+k)g(x)k\dfrac{f(g(x+k))-f(g(x))}{k} = \dfrac{f(g(x+k))-f(g(x))}{g(x+k)-g(x)} \cdot \dfrac{g(x+k)-g(x)}{k} は、g(x+k)=g(x)g(x+k) = g(x) となるゼロでない kk が存在するときに破綻する(第一因子が 0/00/0 になる)。次の補助関数の議論がこのケースを解決する。

証明。 補助関数 ϕ\phi を次で定義する:

ϕ(u)  =  {f(u)f(g(x))ug(x)ug(x),f(g(x))u=g(x).\phi(u) \;=\; \begin{cases} \dfrac{f(u) - f(g(x))}{u - g(x)} & u \neq g(x), \\[6pt] f'(g(x)) & u = g(x). \end{cases}

ffg(x)g(x) で微分可能なので ϕ\phig(x)g(x) で連続だ。

任意の k0k \neq 0 に対して u=g(x+k)u = g(x+k) とおくと:

f(g(x+k))f(g(x))  =  ϕ(g(x+k))(g(x+k)g(x)),f(g(x+k)) - f(g(x)) \;=\; \phi(g(x+k)) \cdot \bigl(g(x+k) - g(x)\bigr),

これは g(x+k)=g(x)g(x+k) = g(x) のときも成り立つ(両辺が 00 になる)。kk で割ると:

f(g(x+k))f(g(x))k  =  ϕ(g(x+k))g(x+k)g(x)k.\frac{f(g(x+k)) - f(g(x))}{k} \;=\; \phi(g(x+k)) \cdot \frac{g(x+k) - g(x)}{k}.

k0k \to 0 のとき:右の因子は g(x)g'(x) に収束し、ggxx で連続なので g(x+k)g(x)g(x+k) \to g(x) となり ϕ(g(x+k))ϕ(g(x))=f(g(x))\phi(g(x+k)) \to \phi(g(x)) = f'(g(x)) が成り立つ。ゆえに (fg)(x)=f(g(x))g(x)(f \circ g)'(x) = f'(g(x)) \cdot g'(x)\square

多項式の冪

((x3+1)5)  =  5(x3+1)43x2  =  15x2(x3+1)4.\bigl((x^3+1)^5\bigr)' \;=\; 5(x^3+1)^4 \cdot 3x^2 \;=\; 15x^2(x^3+1)^4.

1次式の合成

((2x+1)100)  =  100(2x+1)992  =  200(2x+1)99.\bigl((2x+1)^{100}\bigr)' \;=\; 100(2x+1)^{99} \cdot 2 \;=\; 200(2x+1)^{99}.

抽象的な合成

ff が微分可能で g(x)=f(x2+3x)g(x) = f(x^2 + 3x) のとき、g(x)=f(x2+3x)(2x+3)g'(x) = f'(x^2+3x)\cdot(2x+3)

まとめ

  • 連鎖律(fg)(x)=f(g(x))g(x)(f \circ g)'(x) = f'(g(x)) \cdot g'(x)
  • 証明では補助関数 ϕ\phi を使い、g(x+k)=g(x)g(x+k) = g(x) となる場合のゼロ除算を回避する。
  • ライプニッツ記法:dydx=dydududx\dfrac{dy}{dx} = \dfrac{dy}{du} \cdot \dfrac{du}{dx}