逆関数の微分

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前提知識

ff の微分の仕方を知っているなら、その逆関数 f1f^{-1} もすぐに微分できるか?答えは ff' がゼロでない限りイエスだ。これにより lnx\ln x, arcsinx\arcsin x, arctanx\arctan x などすべての逆関数の微分係数を効率的に求める近道が得られる。

逆関数の微分公式

定理。 ff が開区間 II 上で連続かつ狭義単調で、II 上で微分可能、f(x)0f'(x) \neq 0xI\forall x \in I)とする。このとき f1f^{-1}f(I)f(I) 上で微分可能で

(f1)(y)  =  1f(f1(y)).(1)(f^{-1})'(y) \;=\; \frac{1}{f'(f^{-1}(y))}. \tag{1}

証明。 y0=f(x0)f(I)y_0 = f(x_0) \in f(I) を固定し、y=f(x)y = f(x)yy0y \neq y_0)とおく。このとき xx0x \neq x_0 であり、

f1(y)f1(y0)yy0  =  xx0f(x)f(x0).\frac{f^{-1}(y) - f^{-1}(y_0)}{y - y_0} \;=\; \frac{x - x_0}{f(x) - f(x_0)}.

yy0y \to y_0 のとき、f1f^{-1} の連続性(ff の狭義単調性と連続性から従う)より x=f1(y)x0x = f^{-1}(y) \to x_0f(x0)0f'(x_0) \neq 0 なので

limyy0xx0f(x)f(x0)  =  1f(x0)  =  1f(f1(y0)).  \lim_{y \to y_0}\frac{x - x_0}{f(x) - f(x_0)} \;=\; \frac{1}{f'(x_0)} \;=\; \frac{1}{f'(f^{-1}(y_0))}. \;\square

ライプニッツ記法:y=f(x)y = f(x) のとき dxdy=1dydx\dfrac{dx}{dy} = \dfrac{1}{\,\dfrac{dy}{dx}\,}

lnx\ln x の微分係数

f(x)=exf(x) = e^x として f1(y)=lnyf^{-1}(y) = \ln y とおく。f(x)=ex0f'(x) = e^x \neq 0 なので公式 (1)(1) より

(lny)  =  1elny  =  1y.(\ln y)' \;=\; \frac{1}{e^{\ln y}} \;=\; \frac{1}{y}.

すなわち ddx(lnx)=1x\dfrac{d}{dx}(\ln x) = \dfrac{1}{x}x>0x > 0)。

逆三角関数の微分係数

アークサイン

f(x)=sinxf(x) = \sin x[π/2,π/2][-\pi/2, \pi/2] に制限すると f1(y)=arcsinyf^{-1}(y) = \arcsin yy(1,1)y \in (-1,1))。ここで f(x)=cosx>0f'(x) = \cos x > 0x=arcsinyx = \arcsin y のとき cosx=1sin2x=1y2\cos x = \sqrt{1-\sin^2 x} = \sqrt{1-y^2} なので

(arcsiny)  =  11y2.(\arcsin y)' \;=\; \frac{1}{\sqrt{1-y^2}}.

アークコサイン

f(x)=cosxf(x) = \cos x[0,π][0,\pi] に制限すると f(x)=sinx<0f'(x) = -\sin x < 0(0,π)(0,\pi) 上)。x=arccosyx = \arccos y のとき sinx=1y2\sin x = \sqrt{1-y^2} なので

(arccosy)  =  11y2.(\arccos y)' \;=\; \frac{-1}{\sqrt{1-y^2}}.

(arcsinx)+(arccosx)=0(\arcsin x)' + (\arccos x)' = 0 に注意:これは恒等式 arcsinx+arccosx=π/2\arcsin x + \arccos x = \pi/2(定数)と整合する。

アークタンジェント

f(x)=tanxf(x) = \tan x(π/2,π/2)(-\pi/2, \pi/2) に制限する。y=tanxy = \tan x のとき f(x)=1+tan2x=1+y2f'(x) = 1 + \tan^2 x = 1 + y^2 なので

(arctany)  =  11+y2.(\arctan y)' \;=\; \frac{1}{1+y^2}.

まとめ

  • 逆関数の微分則ff が狭義単調かつ f0f' \neq 0 のとき (f1)(y)=1f(f1(y))(f^{-1})'(y) = \dfrac{1}{f'(f^{-1}(y))}
  • (lnx)=1/x(\ln x)' = 1/x(ex)=ex(e^x)' = e^x の逆関数として導く。
  • (arcsinx)=1/1x2(\arcsin x)' = 1/\sqrt{1-x^2}  (arccosx)=1/1x2\;(\arccos x)' = -1/\sqrt{1-x^2}  (arctanx)=1/(1+x2)\;(\arctan x)' = 1/(1+x^2)