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媒介変数表示の微分【パラメータ微分・曲線の接線】

公開日: 2026/7/11

📐 公式まとめ

  • 1. 媒介変数表示とは

    x=f(t),y=g(t)x = f(t), \quad y = g(t)
  • 2. 媒介変数表示の微分公式

    dydx=dydtdxdt=g′(t)f′(t)\frac{dy}{dx} = \frac{\dfrac{dy}{dt}}{\dfrac{dx}{dt}} = \frac{g'(t)}{f'(t)}
  • 2.1. 導出の考え方

    dydt=dydx⋅dxdt\frac{dy}{dt} = \frac{dy}{dx} \cdot \frac{dx}{dt}
  • 2.2. 第2次導関数

    d2ydx2=ddx ⁣(dydx)=ddt ⁣(dydx)dxdt\frac{d^2y}{dx^2} = \frac{d}{dx}\!\left(\frac{dy}{dx}\right) = \frac{\dfrac{d}{dt}\!\left(\dfrac{dy}{dx}\right)}{\dfrac{dx}{dt}}
  • 3. 接線の方程式の求め方

    m=g′(t0)f′(t0)m = \frac{g'(t_0)}{f'(t_0)}
  • 3. 接線の方程式の求め方

    y−y0=m(x−x0)y - y_0 = m(x - x_0)

媒介変数表示の微分【パラメータ微分・曲線の接線】

xx と yy をそれぞれ第三の変数(パラメータ、媒介変数)tt で表した曲線の微分を求める方法を学びます。サイクロイドや楕円など、y=f(x)y = f(x) の形で直接表しにくい曲線でも、この手法で接線の傾きを求めることができます。

1. 媒介変数表示とは

曲線が

x=f(t),y=g(t)x = f(t), \quad y = g(t)

のように、パラメータ tt を使って表されているとき、これを媒介変数表示(パラメータ表示)といいます。

例: 単位円は x=cos⁡tx = \cos t、y=sin⁡ty = \sin t(0≤t<2π0 \leq t < 2\pi)と表せます。

2. 媒介変数表示の微分公式

x=f(t)x = f(t)、y=g(t)y = g(t) がともに微分可能で dxdt=f′(t)≠0\dfrac{dx}{dt} = f'(t) \neq 0 のとき、

dydx=dydtdxdt=g′(t)f′(t)\frac{dy}{dx} = \frac{\dfrac{dy}{dt}}{\dfrac{dx}{dt}} = \frac{g'(t)}{f'(t)}

2.1. 導出の考え方

連鎖律(合成関数の微分)から

dydt=dydx⋅dxdt\frac{dy}{dt} = \frac{dy}{dx} \cdot \frac{dx}{dt}

これを dydx\dfrac{dy}{dx} について解くと上の公式が得られます。

2.2. 第2次導関数

d2ydx2=ddx ⁣(dydx)=ddt ⁣(dydx)dxdt\frac{d^2y}{dx^2} = \frac{d}{dx}\!\left(\frac{dy}{dx}\right) = \frac{\dfrac{d}{dt}\!\left(\dfrac{dy}{dx}\right)}{\dfrac{dx}{dt}}

3. 接線の方程式の求め方

パラメータ t=t0t = t_0 に対応する点 (x0,y0)=(f(t0),g(t0))(x_0, y_0) = (f(t_0), g(t_0)) における接線の傾きは

m=g′(t0)f′(t0)m = \frac{g'(t_0)}{f'(t_0)}

接線の方程式は

y−y0=m(x−x0)y - y_0 = m(x - x_0)

4. 例題

問題1(基本): 次の媒介変数表示の曲線について、t=π4t = \dfrac{\pi}{4} における接線の方程式を求めなさい。

x=2cos⁡t,y=3sin⁡tx = 2\cos t, \quad y = 3\sin t

解答:

dxdt=−2sin⁡t,dydt=3cos⁡t\frac{dx}{dt} = -2\sin t, \quad \frac{dy}{dt} = 3\cos t dydx=3cos⁡t−2sin⁡t=−3cos⁡t2sin⁡t\frac{dy}{dx} = \frac{3\cos t}{-2\sin t} = -\frac{3\cos t}{2\sin t}

t=π4t = \dfrac{\pi}{4} のとき

dydx∣t=π4=−3⋅222⋅22=−32\frac{dy}{dx}\bigg|_{t=\frac{\pi}{4}} = -\frac{3 \cdot \frac{\sqrt{2}}{2}}{2 \cdot \frac{\sqrt{2}}{2}} = -\frac{3}{2}

接点の座標:

x0=2cos⁡π4=2,y0=3sin⁡π4=322x_0 = 2\cos\frac{\pi}{4} = \sqrt{2}, \quad y_0 = 3\sin\frac{\pi}{4} = \frac{3\sqrt{2}}{2}

接線の方程式:

y−322=−32(x−2)y - \frac{3\sqrt{2}}{2} = -\frac{3}{2}(x - \sqrt{2}) y=−32x+322+322=−32x+32y = -\frac{3}{2}x + \frac{3\sqrt{2}}{2} + \frac{3\sqrt{2}}{2} = -\frac{3}{2}x + 3\sqrt{2}

問題2(発展・サイクロイド): サイクロイドの接線を求めなさい。

x=t−sin⁡t,y=1−cos⁡tx = t - \sin t, \quad y = 1 - \cos t

t=π2t = \dfrac{\pi}{2} における接線の方程式を求めなさい。

解答:

dxdt=1−cos⁡t,dydt=sin⁡t\frac{dx}{dt} = 1 - \cos t, \quad \frac{dy}{dt} = \sin t dydx=sin⁡t1−cos⁡t\frac{dy}{dx} = \frac{\sin t}{1 - \cos t}

t=π2t = \dfrac{\pi}{2} のとき

dydx∣t=π2=sin⁡π21−cos⁡π2=11−0=1\frac{dy}{dx}\bigg|_{t=\frac{\pi}{2}} = \frac{\sin\frac{\pi}{2}}{1-\cos\frac{\pi}{2}} = \frac{1}{1-0} = 1

接点の座標:

x0=π2−sin⁡π2=π2−1,y0=1−cos⁡π2=1x_0 = \frac{\pi}{2} - \sin\frac{\pi}{2} = \frac{\pi}{2} - 1, \quad y_0 = 1 - \cos\frac{\pi}{2} = 1

接線の方程式:

y−1=1⋅(x−(π2−1))y - 1 = 1 \cdot \left(x - \left(\frac{\pi}{2}-1\right)\right) y=x−π2+2y = x - \frac{\pi}{2} + 2

問題3(第2次導関数): x=t2x = t^2、y=t3y = t^3 のとき d2ydx2\dfrac{d^2y}{dx^2} を求めなさい。

解答:

dxdt=2t,dydt=3t2\frac{dx}{dt} = 2t, \quad \frac{dy}{dt} = 3t^2 dydx=3t22t=3t2(t≠0)\frac{dy}{dx} = \frac{3t^2}{2t} = \frac{3t}{2} \quad (t \neq 0) d2ydx2=ddt ⁣(3t2)dxdt=322t=34t\frac{d^2y}{dx^2} = \frac{\dfrac{d}{dt}\!\left(\dfrac{3t}{2}\right)}{\dfrac{dx}{dt}} = \frac{\dfrac{3}{2}}{2t} = \frac{3}{4t}

5. 媒介変数表示が便利な曲線

曲線 媒介変数表示
単位円 x=cos⁡t, y=sin⁡tx=\cos t,\ y=\sin t
楕円 x2a2+y2b2=1\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}=1 x=acos⁡t, y=bsin⁡tx=a\cos t,\ y=b\sin t
サイクロイド x=t−sin⁡t, y=1−cos⁡tx=t-\sin t,\ y=1-\cos t
放物線 y2=4pxy^2=4px x=pt2, y=2ptx=pt^2,\ y=2pt

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6. クイズ

  1. x=t2+1x = t^2 + 1、y=2ty = 2t のとき、dydx\dfrac{dy}{dx} を tt で表しなさい。

    正解: 1t\dfrac{1}{t} dxdt=2t\dfrac{dx}{dt}=2t、dydt=2\dfrac{dy}{dt}=2 なので dydx=22t=1t\dfrac{dy}{dx}=\dfrac{2}{2t}=\dfrac{1}{t}。

  2. x=etx = e^t、y=e2ty = e^{2t} のとき、dydx\dfrac{dy}{dx} を xx を使って表しなさい。

    正解: 2x2x dydx=2e2tet=2et=2x\dfrac{dy}{dx}=\dfrac{2e^{2t}}{e^t}=2e^t=2x。

  3. x=cos⁡tx = \cos t、y=sin⁡ty = \sin t のとき、t=π6t = \dfrac{\pi}{6} における接線の傾きはいくらですか?

    正解: −3-\sqrt{3} dydx=cos⁡t−sin⁡t=−cot⁡t\dfrac{dy}{dx}=\dfrac{\cos t}{-\sin t}=-\cot t。t=π6t=\dfrac{\pi}{6} のとき −cot⁡π6=−3-\cot\dfrac{\pi}{6}=-\sqrt{3}。

#媒介変数#パラメータ表示#微分#接線#数学III