高階導関数

Basis
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導関数 ff' が何を測るかはすでに知っている — 瞬間変化率だ。しかし ff' 自身もひとつの関数であり、それが導関数を持つかどうかを問うことができる。この過程を繰り返すと高階導関数が得られ、曲率・加加速度(jerk)・テイラー多項式の係数などを符号化する。

帰納的定義

定義。 nn 階導関数 f(n)f^{(n)} を帰納的に定義する:

f(0)f,f(n)(f(n1))for n1,f^{(0)} \coloneqq f, \qquad f^{(n)} \coloneqq \bigl(f^{(n-1)}\bigr)' \quad \text{for } n \geq 1,

ただし連鎖の各導関数が存在する場合に限る。

よく用いられる記法:

階数プライム記法ライプニッツ記法
1階ff'dfdx\dfrac{df}{dx}
2階ff''d2fdx2\dfrac{d^2f}{dx^2}
3階ff'''d3fdx3\dfrac{d^3f}{dx^3}
nnf(n)f^{(n)}dnfdxn\dfrac{d^nf}{dx^n}

CnC^nCC^\infty の空間

f(n)f^{(n)} が区間 II 上で存在して連続であるとき、fCn(I)f \in C^n(I)(「ffCnC^n」または「ffnn 回連続微分可能」と読む)という。C0(I)C^0(I) は単に連続関数の全体であり、C1(I)C^1(I) は連続な導関数を追加し、以下同様に続く。

すべての階の導関数を持つ関数は**滑らか(smooth)**と呼ばれ、C(I)C^\infty(I) に属する。

C        C2    C1    C0.C^\infty \;\subsetneq\; \cdots \;\subsetneq\; C^2 \;\subsetneq\; C^1 \;\subsetneq\; C^0.

各包含は真の包含だ:CnC^n に属するが Cn+1C^{n+1} に属さない関数が存在する。

例。 f(x)=x3f(x) = |x|^{3}R\mathbb{R} 上で C2C^2 だ(f=6xf'' = 6|x| が連続であるため)が、C3C^3 ではない(f(0)f'''(0) が存在しないため)。

高階導関数の例

多項式 p(x)=anxn++a0p(x) = a_n x^n + \cdots + a_0 に対して:

p(k)(x)  =  n!(nk)!anxnk+(kn),p(k)0(k>n).p^{(k)}(x) \;=\; \frac{n!}{(n-k)!} a_n x^{n-k} + \cdots \quad (k \leq n), \qquad p^{(k)} \equiv 0 \quad (k > n).

指数関数 exe^x に対して:(ex)(n)=ex(e^x)^{(n)} = e^x がすべての nn で成立する。

sinx\sin xcosx\cos x の導関数は周期4で循環する:

(sinx)(n)=sin ⁣(x+nπ2),(cosx)(n)=cos ⁣(x+nπ2).(\sin x)^{(n)} = \sin\!\left(x + \tfrac{n\pi}{2}\right), \qquad (\cos x)^{(n)} = \cos\!\left(x + \tfrac{n\pi}{2}\right).

ライプニッツの公式

積の微分法則 (fg)=fg+fg(fg)' = f'g + fg' はすべての階に一般化される。そのパターンは二項定理を反映している。

定理(ライプニッツの公式)。 ffggnn 回微分可能ならば、

(fg)(n)  =  k=0n(nk)f(k)g(nk).(fg)^{(n)} \;=\; \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} f^{(k)}\, g^{(n-k)}.

帰納法による証明。 基底ケース n=1n = 1 は積の微分法則だ。nn でこの公式が成立すると仮定し、両辺を微分して各項 f(k)g(nk)f^{(k)} g^{(n-k)} に積の微分法則を適用する。二項係数の漸化式 (nk1)+(nk)=(n+1k)\binom{n}{k-1} + \binom{n}{k} = \binom{n+1}{k} が和を n+1n+1 の公式に再び組み上げる。\square

例。 (x2ex)=(x2)ex+2(x2)ex+x2ex=2ex+4xex+x2ex=(x2+4x+2)ex(x^2 e^x)'' = (x^2)'' e^x + 2(x^2)' e^x + x^2 e^x = 2e^x + 4xe^x + x^2 e^x = (x^2 + 4x + 2)e^x

まとめ

  • nn 階導関数 f(n)f^{(n)}f(n1)f^{(n-1)} の導関数として帰納的に定義される。
  • fCnf \in C^n とは f(n)f^{(n)} が存在して連続であること、fCf \in C^\infty とはすべての階の導関数が存在することだ。
  • 多項式は有限回の微分でゼロになる。exe^xsinx\sin xcosx\cos xCC^\infty であり、nn 階導関数が閉形式で表せる。
  • ライプニッツの公式(fg)(n)=k=0n(nk)f(k)g(nk)(fg)^{(n)} = \sum_{k=0}^n \binom{n}{k} f^{(k)} g^{(n-k)}。これは二項定理の直接類似だ。