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2章 微分法 > 定理・定義・命題の一覧

§1 導関数


定義 2.1 (微分可能、微分係数とは)
命題 2.2

§2 平均値の定理


命題 2.3 (極値の必要条件)
f(x) は微分可能とする。
f(x) が c で極大(小)となれば f'(c)=0

定理 2.4 (ロルの定理)
 応用↓ ↑ f(a)=f(b) の場合
定理 2.5 (平均値の定理)
 応用↓ ↑ g(x)=x の場合
定理 2.6 (コーシーの平均値の定理)
定理 2.4 (ロルの定理)
f(x) が[a, b]で連続、(a, b)で微分可能とし、
f(a)=f(b) であるとする。
このとき、ある点 c∈(a, b) が存在して、f'(c)=0となる。
定理 2.5 (平均値の定理)
f(x) が[a, b]で連続、(a, b)で微分可能とすると、
\frac{f(b)-f(a)}{b-a}=f'(c)
となる c∈(a, b) が存在する。
定理 2.6 (コーシーの平均値の定理)
f, g が[a, b]で連続、(a, b)で微分可能とする。
さらに、g(a)≠g(b) で、f'(x) と g'(x) は同時に零にならないものとする。
このとき、
 \frac{f(b)-f(a)}{g(b)-g(a)}=\frac{f'(c)}{g'(c)}
となる c∈(a, b) が存在する。

定理 2.7 (テイラーの定理)
この定理に限り、[a, x], (a, x)は a>x のとき[x, a], (x, a)のこととする。

f(x) が[a, x]で連続、(a, x)で n 回微分可能とする。
 f(x)=f(a)+\frac{f'(a)}{1!}(x-a)+\frac{f' '(a)}{2!}(x-a)^2+\frac{f'''(a)}{3!}(x-a)^3+\cdots+\frac{f^{(n-1)}(a)}{(n-1)!}(x-a)^{n-1} \  + \  R_n
 R_n=\frac{f^{(n)}(\xi)}{n!}(x-a)^n
をみたす ξ が(a, x)に存在する。

このR_nを剰余項、(またはラグランジュの剰余項)と呼ぶ。

§3 平均値の定理の応用:単調増加性と凸性


定理 2.8 (アーベルの定理)
定理 2.9
定義 2.10 (単調増加とは)
定理 2.11
定義 2.12 (下に凸とは)
定理 2.13

§4 偏微分


(偏微分可能、偏導関数とは)
(全微分可能とは)
命題 2.14 (偏導関数の順序交換)

§5 2変数関数の微分


定義 2.15 ((全)微分可能とは)
定理 2.16
問

§6 2変数のテーラーの公式


(方向微分)
\phi'(t)=\left(\alpha\tfrac{\partial}{\partial x}+\beta\tfrac{\partial}{\partial y}\right)f(a+\alpha t, b+\beta t)
命題 2.17 (高階の方向微分の二項展開)
f(x, y) は十分滑らか、すなわち高階の偏導関数(\tfrac{\partial}{\partial x})^k(\tfrac{\partial}{\partial y})^{m-k}f(x, y)が存在して連続であるとする。(m≫1, k=0, 1, ... ,m)
(つまり、偏導関数 ∂/∂x と ∂/∂y の順序が交換できる。)
このとき、 \left(\frac{d}{dt}\right)^m\phi(t) = \phi^{(m)}(t) = \left(\alpha\frac{\partial}{\partial x}+\beta\frac{\partial}{\partial y}\right)^m f(a+\alpha t, b+\beta t)が成り立つ。

ここで、(\alpha\tfrac{\partial}{\partial x}+\beta\tfrac{\partial}{\partial y})^mf(x, y)は
\sum^m_{k=0}\alpha^k\beta^{m-k}\binom{m}{k}\left(\frac{\partial}{\partial x}\right)^k\left(\frac{\partial}{\partial y}\right)^{m-k}\!\!f(x, y) の略記である。
\tbinom{m}{k}は二項係数mCkのことである。
命題 2.18 (2変数のテーラーの公式)
\begin{align} f(a+\alpha, b & +\beta)=f(a, b)+(\alpha\tfrac{\partial}{\partial x}+\beta\tfrac{\partial}{\partial y})f(a, b)+\frac{1}{2!}(\alpha\tfrac{\partial}{\partial x}+\beta\tfrac{\partial}{\partial y})^2f(a, b)+\cdots \\ & +\frac{1}{(n-1)!}(\alpha\tfrac{\partial}{\partial x}+\beta\tfrac{\partial}{\partial y})^{n-1}f(a, b)\ \ +\frac{1}{n!}(\alpha\tfrac{\partial}{\partial x}+\beta\tfrac{\partial}{\partial y})^nf(a+\theta\alpha, b+\theta\beta) \end{align}
を満たす実数 0<θ<1 が存在する。

§7 2次形式


(2次形式)
実数 a, b, c に対して、
\begin{align} f(x, y) &amp;= ax^2+2bxy+cy^2 \\ &amp;= \begin{pmatrix} x &amp; y \end{pmatrix} \begin{pmatrix} a &amp; b \\ b &amp; c \end{pmatrix} \begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix} \end{align}
を2次形式と呼ぼう。
定義 2.19 (正値とは)
2次形式 f(x, y) が正値であるとは、
(x, y)≠0 ならば f(x, y)>0 となることと定める。
定義 2.20 (固有値、固有ベクトルとは)
A=\big(\begin{smallmatrix}a&amp;b\\c&amp;d\end{smallmatrix} \big) に対して、ある実数 λ と零でない実ベクトル \big(\begin{smallmatrix}x\\y\end{smallmatrix} \big) \ne \big(\begin{smallmatrix}0\\0\end{smallmatrix} \big) が存在して、
 A \begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix} = \lambda \begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix} が成立しているとき、
λ を A の(実の)固有値、 \big(\begin{smallmatrix}x\\y\end{smallmatrix} \big) を固有値 λ の固有ベクトルと呼ぶ。
命題 2.21 (固有値と特性方程式)
λ が A=\big(\begin{smallmatrix}a&amp;b\\c&amp;d\end{smallmatrix} \big) の固有値 ⇔ λ は \det(A-\lambda E)=0 の実根

この det(A-λE)=0 を特性方程式という  (ただし E は2次の単位行列)
命題 2.22
実対称行列A=\big(\begin{smallmatrix}a&amp;b\\b&amp;c\end{smallmatrix} \big) の特性方程式の解は2つとも実数。
(内積)
 \vec u = \begin{pmatrix}u_x\\u_y\end{pmatrix}, \vec v = \begin{pmatrix}v_x\\v_y\end{pmatrix} に対して、
内積を (\vec u, \vec v) = u_xv_x+u_yv_y と定める。

(\vec u, \vec v) = \begin{pmatrix}u_x&amp;u_y\end{pmatrix} \begin{pmatrix}v_x\\v_y\end{pmatrix} とも書ける。

補題 2.23
実対称行列A=\big(\begin{smallmatrix}a&amp;b\\b&amp;c\end{smallmatrix} \big) に対して、(A \vec u, \vec v)=(\vec u, A \vec v) が成立する。
命題 2.24
Aを2次実対称行列とする。このとき、
A の固有値 \lambda_1, \lambda_2 の固有ベクトル \vec u_1, \vec u_2 で、 \mathbb{R}^2 の正規直交基底となるものが存在する。
つまり、(\vec u_1, \vec u_1)=1, (\vec u_2, \vec u_2)=1, (\vec u_1, \vec u_2)=0をみたす。
命題 2.25
次は同値。
(1) f(x, y) = ( x \  y ) \big(\begin{smallmatrix} a &amp; b \\ b &amp; c \end{smallmatrix}\big) \big(\begin{smallmatrix} x \\ y \end{smallmatrix}\big) は正値。
(2)  \big(\begin{smallmatrix}a&amp;b\\c&amp;d\end{smallmatrix} \big) の固有値 λ1, λ2 がともに正。
(3) a>0 かつ  \big|\begin{smallmatrix}a&amp;b\\c&amp;d\end{smallmatrix} \big| &gt; 0

§8 曲面の極値


(接平面に関する必要条件)
十分滑らかな曲面 z=f(x, y) を考える。

点(x, y)=(a, b)で極値をとるためには
 \begin{cases} f_x(a, b)=0 \\ f_y(a, b)=0 \end{cases} \cdots (*)
となることが必要。
ヘッセ行列と呼ばれる実対称行列  H(x, y) = \begin{pmatrix} f_{xx}(x, y) &amp; f_{xy}(x, y) \\ f_{xy}(x, y) &amp; f_{yy}(x, y) \end{pmatrix} を用いると、

 f(a+\alpha, b+\beta)-f(a, b) \cong \frac{1}{2}\begin{pmatrix} \alpha &amp; \beta \end{pmatrix} H(a, b) \begin{pmatrix} \alpha \\ \beta \end{pmatrix}

命題 2.26 (ヘッセ行列式による極値判定)
z=f(x, y) を十分滑らかな曲面とする。
さらに、点(x, y)=(a, b)で fx(a, b)=fy(a, b)=0 となっているとする。
このとき、
(1)  |H(a, b)|&gt;0 なら極値で、

  fxx(a, b)>0 なら極大点。
  fxx(a, b)<0 なら極小点。

(2)  |H(a, b)|&lt;0 なら峠点。

 |H(a, b)|=0 の場合は判定できないので、他の方法を考える必要がある。


1学期最終講義

(合成関数の微分)
f(x), g(x) が微分可能なとき、\frac{d}{dx}f(g(x))=g&#039;(x)f&#039;(g(x))

(対数微分)
f&#039;(x)=f(x) \cdot \frac{d}{dx}\log f(x)
たとえば、 \frac{d}{dx} x^x = x^x (\log x + 1)

( i の i 乗)
 i^i = e^{\left-\frac{\pi}{2}-2n\pi\right} \quad (n\in\mathbb{R})
(-1)^i=(i^i)^2

黄金比 \phi = \frac{1+\sqrt{5}}{2} の連分数分解は、

\phi = 1 + \cfrac{1}{1 + \cfrac{1}{1 + \cfrac{1}{1 + \cfrac{1}{\ddots}} }}

 \tan x = x + \frac{1}{3}x^3 + \frac{2}{15}x^5 + \cdots


以上。
最終更新:2013年08月31日 22:49