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微分法の基本【導関数・接線の方程式】

公開日: 2026/7/11

📐 公式まとめ

  • 1. 平均変化率

    f(a+h)−f(a)h\frac{f(a + h) - f(a)}{h}
  • 2. 微分係数(導関数の定義)

    f′(a)=lim⁡h→0f(a+h)−f(a)h\boxed{f'(a) = \lim_{h \to 0} \frac{f(a+h) - f(a)}{h}}
  • 3. 導関数

    f′(x)=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)h\boxed{f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{f(x+h) - f(x)}{h}}
  • 4.2. 積の微分(ライプニッツ則)

    {f(x)g(x)}′=f′(x)g(x)+f(x)g′(x)\{f(x)g(x)\}' = f'(x)g(x) + f(x)g'(x)
  • 5. 接線の方程式

    y−f(a)=f′(a)(x−a)\boxed{y - f(a) = f'(a)(x - a)}
  • 6. 法線の方程式

    y−f(a)=−1f′(a)(x−a)y - f(a) = -\frac{1}{f'(a)}(x - a)

微分法の基本【導関数・接線の方程式】

微分は「変化の速さ」を求める数学の手法です。グラフの接線の傾きや、関数の増減・極値を調べるために不可欠な概念です。

1. 平均変化率

関数 y=f(x)y = f(x) において、xx が aa から a+ha + h まで変化したときの平均変化率:

f(a+h)−f(a)h\frac{f(a + h) - f(a)}{h}

これはグラフ上の 2 点 (a,f(a))(a, f(a)) と (a+h,f(a+h))(a+h, f(a+h)) を結ぶ割り線(せかんと線)の傾きです。

2. 微分係数(導関数の定義)

h→0h \to 0 としたときの平均変化率の極限を微分係数と言い、f′(a)f'(a) と書きます。

f′(a)=lim⁡h→0f(a+h)−f(a)h\boxed{f'(a) = \lim_{h \to 0} \frac{f(a+h) - f(a)}{h}}

これは点 (a,f(a))(a, f(a)) における接線の傾きを表します。

2.1. 例題1:定義から微分係数を求める

f(x)=x2f(x) = x^2 における x=2x = 2 での微分係数を定義から求めよ。

解答

f′(2)=lim⁡h→0(2+h)2−4h=lim⁡h→04+4h+h2−4h=lim⁡h→04h+h2h=lim⁡h→0(4+h)=4f'(2) = \lim_{h \to 0} \frac{(2+h)^2 - 4}{h} = \lim_{h \to 0} \frac{4 + 4h + h^2 - 4}{h} = \lim_{h \to 0} \frac{4h + h^2}{h} = \lim_{h \to 0} (4 + h) = 4

3. 導関数

xx のすべての点で微分係数を対応させた関数を導関数と言い、f′(x)f'(x)、y′y'、または dydx\dfrac{dy}{dx} と書きます。

f′(x)=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)h\boxed{f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{f(x+h) - f(x)}{h}}

4. 微分の公式

4.1. 基本公式

関数 導関数
f(x)=cf(x) = c(定数) f′(x)=0f'(x) = 0
f(x)=xnf(x) = x^n f′(x)=nxn−1f'(x) = nx^{n-1}
f(x)=cf(x)f(x) = cf(x) {cf(x)}′=cf′(x)\{cf(x)\}' = cf'(x)
f(x)+g(x)f(x) + g(x) f′(x)+g′(x)f'(x) + g'(x)
f(x)−g(x)f(x) - g(x) f′(x)−g′(x)f'(x) - g'(x)

4.2. 積の微分(ライプニッツ則)

{f(x)g(x)}′=f′(x)g(x)+f(x)g′(x)\{f(x)g(x)\}' = f'(x)g(x) + f(x)g'(x)

4.3. 例題2:導関数を求める

次の関数を微分せよ。

(1) f(x)=3x4−2x3+5x−7f(x) = 3x^4 - 2x^3 + 5x - 7

(2) g(x)=(x2+1)(2x−3)g(x) = (x^2 + 1)(2x - 3)

解答(1)

f′(x)=12x3−6x2+5f'(x) = 12x^3 - 6x^2 + 5

解答(2)

積の微分を使う:

g′(x)=(x2+1)′(2x−3)+(x2+1)(2x−3)′=2x(2x−3)+(x2+1)⋅2=4x2−6x+2x2+2=6x2−6x+2\begin{align} g'(x) &= (x^2 + 1)' (2x - 3) + (x^2 + 1)(2x - 3)' \\ &= 2x(2x - 3) + (x^2 + 1) \cdot 2 \\ &= 4x^2 - 6x + 2x^2 + 2 \\ &= 6x^2 - 6x + 2 \end{align}

別法(展開してから微分):

g(x)=2x3−3x2+2x−3⇒g′(x)=6x2−6x+2✓g(x) = 2x^3 - 3x^2 + 2x - 3 \Rightarrow g'(x) = 6x^2 - 6x + 2 \quad \checkmark

5. 接線の方程式

曲線 y=f(x)y = f(x) 上の点 (a,f(a))(a, f(a)) における接線の方程式:

y−f(a)=f′(a)(x−a)\boxed{y - f(a) = f'(a)(x - a)}

傾きは微分係数 f′(a)f'(a) です。

5.1. 例題3:接線の方程式

曲線 y=x3−3x+2y = x^3 - 3x + 2 上の点 (2,4)(2, 4) における接線の方程式を求めよ。

解答

まず点 (2,4)(2, 4) が曲線上にあるか確認:23−3⋅2+2=8−6+2=42^3 - 3 \cdot 2 + 2 = 8 - 6 + 2 = 4 ✓

f′(x)=3x2−3f'(x) = 3x^2 - 3、f′(2)=12−3=9f'(2) = 12 - 3 = 9

接線:y−4=9(x−2)⇒y=9x−14y - 4 = 9(x - 2) \Rightarrow \boxed{y = 9x - 14}

5.2. 例題4:接線が平行になる点

曲線 y=x3y = x^3 上で、直線 y=3x−1y = 3x - 1 に平行な接線の方程式を求めよ。

解答

平行な接線の傾き = 33

f′(x)=3x2=3⇒x2=1⇒x=±1f'(x) = 3x^2 = 3 \Rightarrow x^2 = 1 \Rightarrow x = \pm 1
  • x=1x = 1 のとき y=1y = 1、接線:y−1=3(x−1)⇒y=3x−2y - 1 = 3(x - 1) \Rightarrow y = 3x - 2
  • x=−1x = -1 のとき y=−1y = -1、接線:y+1=3(x+1)⇒y=3x+2y + 1 = 3(x + 1) \Rightarrow y = 3x + 2

6. 法線の方程式

曲線の法線は接線に垂直な直線です。接線の傾きが f′(a)f'(a) なら、法線の傾きは −1f′(a)-\dfrac{1}{f'(a)}(f′(a)≠0f'(a) \neq 0 のとき):

y−f(a)=−1f′(a)(x−a)y - f(a) = -\frac{1}{f'(a)}(x - a)

7. 微分法の記号まとめ

記号 意味
f′(x)f'(x) f(x)f(x) の導関数
f′(a)f'(a) x=ax = a での微分係数
dydx\dfrac{dy}{dx} ライプニッツ記法
y′y' yy の xx に関する導関数
ddx[f(x)]\dfrac{d}{dx}[f(x)] 演算子記法

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9. クイズ

問題1:f(x)=2x3−4x2+x−1f(x) = 2x^3 - 4x^2 + x - 1 を微分せよ。

答えを見る f′(x)=6x2−8x+1f'(x) = 6x^2 - 8x + 1

問題2:曲線 y=x2−3xy = x^2 - 3x 上の点 (3,0)(3, 0) における接線の方程式を求めよ。

答えを見る

f′(x)=2x−3f'(x) = 2x - 3、f′(3)=3f'(3) = 3

接線:y−0=3(x−3)⇒y=3x−9y - 0 = 3(x - 3) \Rightarrow y = 3x - 9

問題3:点 (0,−1)(0, -1) から曲線 y=x2y = x^2 に引いた接線の方程式を求めよ。

答えを見る

接点を (t,t2)(t, t^2) とすると、接線の傾きは f′(t)=2tf'(t) = 2t。

接線:y−t2=2t(x−t)⇒y=2tx−t2y - t^2 = 2t(x - t) \Rightarrow y = 2tx - t^2

点 (0,−1)(0, -1) を通るので:−1=−t2⇒t=±1-1 = -t^2 \Rightarrow t = \pm 1

  • t=1t = 1:y=2x−1y = 2x - 1
  • t=−1t = -1:y=−2x−1y = -2x - 1
#微分#導関数#接線#平均変化率#微分法#数学II