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長方形の面積を使った微積分
微分可能とは?
関数はに対応するが1つ定まるのもである。途中で切れていない関数を連続関数という。図の連続関数の点のような点では接線(関数上のある1点だけで接している直線)を複数取ることができる。連続関数の点は接線1つだけ持つ。このとき点で微分可能という。ただし図のは点端があるのでこの両端では微分可能ではない。
**曲線の定義**
関数の任意のについて、付近で接線が1つだけある。つまり傾きが1つに定まる。
このような関数を微分可能な関数、曲線という。
2変数関数はあるの組に対応するが1つに定まるもの。2変数関数上のある点について、で固定して得られた関数を、で固定して得られた関数をとする。の接線を、の接線をとする。接線が作る平面が接することになる。法線(面に垂直な線)が1つに定まるとも言い換えられる。
**曲面の定義**
関数の任意のについて、付近で接面が1つだけあるとき、がそれぞれ1つに定まる。
このような全関数を微分可能な関数、曲面という。
以後微分を使っていきたいので個の変数を持つ関数はが1つに定まるものだけ扱うことにしよう。筆者は微分可能か確認しないでいきなり微分するので、その時はそういう関数だと思ってくださいな。更に言うと軸上の数字が連続か、数字の大小関係とかあるかも知れないがこれ以上深くはやらないことにしよう。微分の説明終わり。
1変数関数
図の灰色の部分の面積をとする。は任意の数でいいので、は関数になる。ををの原始関数という。
このような部分の面積をと表せる。
はとても小さい値である。図のような部分の面積を求めるためたい。を上手く取ることで、(このがよくわからない方は、微分積分学の基本定理というページで若干詳しく説明している。)
高さ幅長方形の面積で表せる。とても大きい数で分割して、とすると、
面積は
と表せる。(1)式を変形することで、原始関数からを求めることもできる。
(2)(3)式はが上手く求められないので上手く表現できていない。そこでを0に近づけていこう。
記号を上記のように書く。
と書くことにすると、(2)、(3)式はそれぞれ、
と書くことができる。(4)式を関数の微分、(5)式を関数の積分という。原始関数を微分すると関数を得ることができる。逆に関数を積分すると、原始関数とおまけでが付く。全く真逆の関係では無いようだ。(5)式のの値が特に決まっていない場合、
のように書かれる。なので、
とも表せられる。
がを変数とする関数だった時、のような合成関数での微分と積分の方法を考える。
のような分割をしていた。となるように分割すると、、となる。
(7)式を変形すると
またの値は、
と書ける。(8)の、の極限を取る。
(9)の、の極限を取る。
なので、(10)(11)式はそれぞれ
のように表すこともできる。
2変数関数
関数についてと辺の長さがとの領域の作る領域の体積をとする。
微小量と都合のいい数を使い、図のような部分の体積を
のような直方体の体積で書けるはず。領域内での分割をしてする。を固定してを1変数関数とみると、で固定した、平面でを切り開いた部分の面積は(2)式のように
とあらわせる。立体の体積は
が要らないので、の極限をとると、
とあらわせる。
底面が曲線でできている場合にも積分ができる。立体を平面で分割して断面積を求めてそれを積分する。
線積分というものもある。図の面積を求めたい。図のような曲線も2変数関数の1つである。に対応したが1つ存在するという制限を付けた2変数関数といえる。つまり、を決めるとが決まり、が決まると経路上の1点が決まる。そこで媒介変数を使って、としよう。ものみで表せる。、と分割する。となる。とすればとなるので、
あまり上手いやり方が思いつかなかった、曲面はどう分割しても曲面なものでな。図のような面積はおおざっぱに
とあらわせる。を使って表すと、
これを足していくことでおおざっぱな面積を求められる。
の極限で分割を増やしていくことで曲面をより近づいていくと考えてほしい。
が成り立つ。