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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y=f(x)xに対応するy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y=y1(x)の点A, B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y=y2(x)の点Cは接線1つだけ持つ。このとき点Cで微分可能という。ただし図のy2は点A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y=f(x)の任意のxについて、x付近で接線が1つだけある。つまり傾きdydxが1つに定まる。 dydx=limΔx0f(x+Δx)f(x)Δx 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z=f(x,y)はあるx,yの組に対応するzが1つに定まるもの。2変数関数f(x,y)上のある点D(xD,yD)について、y=yDで固定して得られた関数をz=g(x)x=xDで固定して得られた関数をz=h(y)とする。g(x)の接線をz=l1(x)h(y)の接線をz=l2(y)とする。接線l1,l2が作る平面が接することになる。法線(面に垂直な線)y=l3(x)が1つに定まるとも言い換えられる。
**曲面の定義**
関数z=f(x,y)の任意のx,yについて、x,y付近で接面が1つだけあるとき、zx,zyがそれぞれ1つに定まる。 zx=limΔx0f(x+Δx,y)f(x,y)Δx zy=limΔy0f(x,y+Δy)f(x,y)Δx 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n個の変数を持つ関数f(x1,x2,,xi,,xn)fxi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x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F(a)とする。aは任意の数でいいので、F(x)は関数になる。をF(x)f(x)の原始関数という。
このような部分の面積S(x)S(x)=F(x)F(a)と表せる。
Δxはとても小さい値である。図のような部分の面積ΔS=F(x+Δx)F(x)を求めるためたい。0θ1を上手く取ることで、(このθ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。) (1)ΔS=f(x+θΔx)Δx 高さf(x+θΔx)幅長方形Δxの面積で表せる。とても大きい数nで分割してa=x0x1xixn=x, Δxi=xi+1xi、とすると、 面積S(x)(2)S(x)=F(x)F(a)=i=0n1f(xi+θiΔxi)Δxi と表せる。(1)式を変形することで、原始関数F(x)からf(x)を求めることもできる。 (3)f(x+θΔx)=F(x+Δx)F(x)Δx (2)(3)式はθ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Δxを0に近づけていこう。 limΔx0 記号を上記のように書く。 dF(x)dx:=limΔx0F(x+Δx)F(x)Δx axf(x)dx:=limΔx0i=0n1f(xi+θiΔxi)Δxi と書くことにすると、(2)、(3)式はそれぞれ、 (4)dF(x)dx=f(x) (5)axf(x)dx=F(x)F(a) と書くことができる。(4)式を関数F(x)の微分、(5)式を関数f(x)の積分という。原始関数F(x)を微分すると関数f(x)を得ることができる。逆に関数f(x)を積分すると、原始関数F(x)とおまけでF(a)が付く。全く真逆の関係では無いようだ。(5)式のaの値が特に決まっていない場合、 (6)f(x)dx=F(x)+C のように書かれる。f(x)=dF(x)/dxなので、 dF(x)dxdx=F(x)+C とも表せられる。
xtを変数とする関数x=x(t)だった時、f(x(t))のような合成関数での微分と積分の方法を考える。 a=x0x1xixn=x, Δxi=xi+1xi のような分割をしていた。a=x(t0)x(t1)x(ti)x(tn)=xとなるように分割すると、xi+1=x(ti+Δti)Δxi=x(ti+Δti)x(ti)となる。 ΔS=f(x(t)+θΔx)Δx (7)ΔS=f(x(t)+θΔx)x(t+Δt)x(t)ΔtΔt (7)式を変形すると F(x(t))F(x(t+Δt))Δt (8)=f(x(t)+θΔx)x(t+Δt)x(t)Δt またS(x(t))の値は、 S(x)=F(x)F(a)=i=0n1f(xi+θiΔxi)Δxi (9)=i=0n1f(x(ti)+θiΔxi)x(ti+Δti)x(ti)ΔtiΔti と書ける。(8)のΔt0Δx0の極限を取る。 dF(x(t))dt=limΔt0f(x(t)+θΔx)x(t+Δt)x(t)Δt=f(x(t))dxdt (10)dF(x(t))dt=f(x(t))dxdt (9)のΔt0Δx0の極限を取る。 F(x(t))F(a)=limΔt0i=0n1f(x(ti)+θiΔxi)x(ti+Δti)x(ti)ΔtiΔti (11)F(x(t))F(a)=t0tf(x(t))dxdtdt f(x)=dF(x)/dxなので、(10)(11)式はそれぞれ dF(x(t))dt=dF(x)dxdxdt F(x(t))F(a)=t0tdF(x)dxdxdtdt のように表すこともできる。

2変数関数

関数z=f(x,y)についてf(x,y)と辺の長さが|xx0||yy0|の領域Dの作る領域の体積をV(x,y)とする。
微小量Δx,Δyと都合のいい数0θ,ι1を使い、図のような部分の体積ΔVΔV=V(x+Δx,y+Δy)V(x,y) (12)=f(x+θΔx,y+ιΔy)ΔxΔy のような直方体の体積で書けるはず。領域D内でx0x1x2xixn=xの分割をしてする。xiを固定してz=f(xi,y)を1変数関数とみると、xiで固定した、y,z平面でVを切り開いた部分の面積は(2)式のように S(xi)=j=0m1f(xi,yj+ιΔyj)Δyj とあらわせる。立体の体積VV(x,y)=i=0n1S(xi+θΔxi)Δxi V(x,y)=i=0n1j=0m1f(xi+θΔxi,yj+ιΔyj)ΔxiΔyj θ,ιが要らないので、Δx,Δy0の極限をとると、 V(x,y)=Df(x,y)dxdy:= limΔx,Δy0i=0n1j=0m1f(xi+θΔxi,yj+ιΔyj)ΔxiΔyj 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yz平面で分割して断面積gg+f(x,y)dyを求めてそれを積分する。 V=Sf(x,y)dxdy=ab(g(x)g+(x)f(x,y)dy)dx
 線積分というものもある。図の面積S(x,y)を求めたい。図のような曲線Cも2変数関数の1つである。yに対応したx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、xを決めるとyが決まり、x,yが決まると経路C上の1点が決まる。そこで媒介変数tを使って、x=x(t),y=y(t)としよう。C:z=f(x(t),y(t))tのみで表せる。x(t0)x(t1)x(ti)x(tn)=xy(t0)y(t1)y(ti)y(tn)=yと分割する。Δxi=x(ti+1)x(ti),Δyi=y(ti+1)y(ti)となる。Δti=ti+1tiとすればΔxi=x(ti+Δti)x(ti),Δyi=y(ti+Δti)y(ti)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ΔSはおおざっぱに ΔSf(x,y)Δx2+Δy2 とあらわせる。tを使って表すと、 ΔSf(x,y)(ΔxΔt)2+(ΔyΔt)2Δt =f(x,y)(x(t+Δt)x(t)Δt)2+(y(t+Δt)y(t)Δt)2Δt 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。 Si=0n1f(x(ti),y(ti)) (x(ti+Δti)x(ti)Δti)2+(y(ti+Δti)y(ti)Δti)2Δti Δt0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。 S=Cf(x,y)(dxdt)2+(dydt)2dt が成り立つ。