第7章 積と商の微分

Product and Quotient Rules

入門

7.1 積の微分公式

2つの関数の積を微分しても、各関数の微分の積にはならない。たとえば $x \cdot x = x^2$ の微分は $2x$ だが、$x$ の微分 $1$ どうしを掛けると $1 \cdot 1 = 1$ になってしまう。正しい公式は次のとおりである。

定理(積の微分公式・ライプニッツ則)

$f(x)$ と $g(x)$ が微分可能なとき:

$$(f(x) \cdot g(x))' = f'(x) \cdot g(x) + f(x) \cdot g'(x)$$

または、$u = f(x)$, $v = g(x)$ と書くと:

$$(uv)' = u'v + uv'$$
証明

微分の定義から始める:

$$(f(x)g(x))' = \lim_{h \to 0} \dfrac{f(x+h)g(x+h) - f(x)g(x)}{h}$$

Step 1:分子に $f(x+h)g(x)$ を足して引く(値は変わらない)。

$$\begin{aligned}&= \lim_{h \to 0} \dfrac{1}{h} \bigl\{ f(x+h)g(x+h) - f(x+h)g(x) \\ &\qquad {}+ f(x+h)g(x) - f(x)g(x) \bigr\}\end{aligned}$$

Step 2:共通因数でまとめる。

$$\begin{aligned}&= \lim_{h \to 0} \dfrac{1}{h} \bigl\{ f(x+h)(g(x+h) - g(x)) \\ &\qquad {}+ g(x)(f(x+h) - f(x)) \bigr\}\end{aligned}$$

Step 3:和を分ける。

$$\begin{aligned}&= \lim_{h \to 0} \biggl[ f(x+h) \cdot \dfrac{g(x+h) - g(x)}{h} \\ &\qquad {}+ g(x) \cdot \dfrac{f(x+h) - f(x)}{h} \biggr]\end{aligned}$$

Step 4:各極限を計算する。

  • $\displaystyle \lim_{h \to 0} f(x+h) = f(x)$(微分可能な関数は連続だから)
  • $\displaystyle \lim_{h \to 0} \dfrac{g(x+h) - g(x)}{h} = g'(x)$
  • $\displaystyle \lim_{h \to 0} \dfrac{f(x+h) - f(x)}{h} = f'(x)$

Step 5:結果をまとめる。

$$\begin{aligned}(f(x)g(x))' &= f(x) \cdot g'(x) + g(x) \cdot f'(x) \\ &= f'(x)g(x) + f(x)g'(x)\end{aligned}$$
$f$
$\Delta f$
$g$
$\Delta g$
$fg$
$g\,\Delta f$
$f\,\Delta g$
$\Delta f\,\Delta g$
図1: 横 $f$・縦 $g$ の長方形の面積が積 $fg$ である。$x$ が $\Delta x$ だけ増えて $f$ が $\Delta f$、$g$ が $\Delta g$ だけ増えると、面積は赤の帯 $g\,\Delta f$、緑の帯 $f\,\Delta g$、角の小さな長方形 $\Delta f\,\Delta g$ の分だけ増える。$\Delta x$ で割って $\Delta x \to 0$ とすると、角の分 $\Delta f \cdot \dfrac{\Delta g}{\Delta x}$ は $0 \cdot g'$ に近づいて消え、$(fg)' = f'g + fg'$ が残る(図は $f$, $g$ が正で増える場合)。
例1:$h(x) = x^2 \cdot x^3$ の微分(2通りの方法)

方法1:積の公式を使う

$f(x) = x^2$, $g(x) = x^3$ とすると、$f'(x) = 2x$, $g'(x) = 3x^2$

$$h'(x) = f'(x)g(x) + f(x)g'(x)$$ $$= 2x \cdot x^3 + x^2 \cdot 3x^2$$ $$= 2x^4 + 3x^4 = 5x^4$$

方法2:先に整理してから微分

$$h(x) = x^2 \cdot x^3 = x^5$$ $$h'(x) = 5x^4$$

どちらも同じ結果になる。

例2:$h(x) = (x^2 + 1)(x^3 - 2x)$ の微分

$f(x) = x^2 + 1$, $g(x) = x^3 - 2x$ とする。

$f'(x) = 2x$, $g'(x) = 3x^2 - 2$

$$h'(x) = f'(x)g(x) + f(x)g'(x)$$ $$= 2x(x^3 - 2x) + (x^2 + 1)(3x^2 - 2)$$ $$= 2x^4 - 4x^2 + 3x^4 - 2x^2 + 3x^2 - 2$$ $$= 5x^4 - 3x^2 - 2$$
例3:3つの関数の積

$h(x) = f(x)g(x)k(x)$ の微分は、積の公式を繰り返し適用する。

$(fgk)' = ((fg)k)' = (fg)'k + (fg)k'$

$= (f'g + fg')k + fgk'$

$= f'gk + fg'k + fgk'$

一般に:

$$\begin{aligned}(f_1 f_2 \cdots f_n)' &= f'_1 f_2 \cdots f_n + f_1 f'_2 \cdots f_n \\ &\quad {}+ \cdots + f_1 f_2 \cdots f'_n\end{aligned}$$

7.2 商の微分公式

定理(商の微分公式)

$f(x)$ と $g(x)$ が微分可能で、$g(x) \neq 0$ のとき:

$$\left(\dfrac{f(x)}{g(x)}\right)' = \dfrac{f'(x)g(x) - f(x)g'(x)}{(g(x))^2}$$

または:

$$\left(\dfrac{u}{v}\right)' = \dfrac{u'v - uv'}{v^2}$$
証明

微分の定義から始める:

$$\left(\dfrac{f}{g}\right)' = \lim_{h \to 0} \dfrac{\dfrac{f(x+h)}{g(x+h)} - \dfrac{f(x)}{g(x)}}{h}$$

Step 1:分子を通分する。

$$= \lim_{h \to 0} \dfrac{1}{h} \cdot \dfrac{f(x+h)g(x) - f(x)g(x+h)}{g(x+h)g(x)}$$

Step 2:分子に $f(x)g(x)$ を加え引く。

$$\begin{aligned}&= \lim_{h \to 0} \dfrac{1}{h \cdot g(x+h)g(x)} \\ &\qquad {}\times \bigl\{ f(x+h)g(x) - f(x)g(x) \\ &\qquad\quad {}- f(x)g(x+h) + f(x)g(x) \bigr\}\end{aligned}$$

Step 3:項をまとめる。

$$\begin{aligned}&= \lim_{h \to 0} \dfrac{1}{h \cdot g(x+h)g(x)} \bigl\{ g(x)(f(x+h) - f(x)) \\ &\qquad {}- f(x)(g(x+h) - g(x)) \bigr\}\end{aligned}$$

Step 4:分けて整理する。

$$\begin{aligned}&= \lim_{h \to 0} \dfrac{1}{g(x+h)g(x)} \biggl\{ g(x) \cdot \dfrac{f(x+h) - f(x)}{h} \\ &\qquad {}- f(x) \cdot \dfrac{g(x+h) - g(x)}{h} \biggr\}\end{aligned}$$

Step 5:極限を計算する。$g$ も微分可能なので連続で、$g(x+h) \to g(x)$ となる。

$$\begin{aligned}&= \dfrac{g(x) \cdot f'(x) - f(x) \cdot g'(x)}{g(x) \cdot g(x)} \\ &= \dfrac{f'(x)g(x) - f(x)g'(x)}{(g(x))^2}\end{aligned}$$

商の微分公式の覚え方

$$\left(\dfrac{f}{g}\right)' = \dfrac{f'g - fg'}{g^2}$$

分子を「子」、分母を「母」と呼ぶと、右辺は「子を微分して母を掛け、子に母の微分を掛けたものを引き、母の2乗で割る」と読める。分子の形は積の公式 $(fg)' = f'g + fg'$ と同じで、違うのは真ん中の符号がマイナスになることと、分母に $g^2$ がつくことだけである。

引く順番に迷ったら、$f = 1$ を入れて確かめるとよい。$f' = 0$ なので分子は $-g'$ だけが残り、後で示す $\left(\dfrac{1}{g}\right)' = -\dfrac{g'}{g^2}$ と合う。順番を逆にすると符号が反対になってしまう。

例1:$h(x) = \dfrac{x^2}{x + 1}$ の微分

$f(x) = x^2$, $g(x) = x + 1$ とする。

$f'(x) = 2x$, $g'(x) = 1$

$$h'(x) = \dfrac{f'(x)g(x) - f(x)g'(x)}{(g(x))^2}$$ $$= \dfrac{2x(x + 1) - x^2 \cdot 1}{(x + 1)^2}$$ $$= \dfrac{2x^2 + 2x - x^2}{(x + 1)^2}$$ $$= \dfrac{x^2 + 2x}{(x + 1)^2}$$ $$= \dfrac{x(x + 2)}{(x + 1)^2}$$
例2:$h(x) = \dfrac{1}{x}$ の微分(商の公式で確認)

$f(x) = 1$, $g(x) = x$ とする。

$f'(x) = 0$, $g'(x) = 1$

$$h'(x) = \dfrac{0 \cdot x - 1 \cdot 1}{x^2} = -\dfrac{1}{x^2}$$

これは $x^{-1}$ の微分が $-x^{-2}$ であることと一致する。

例3:$h(x) = \dfrac{x^3 - 1}{x^2 + 1}$ の微分

$f(x) = x^3 - 1$, $g(x) = x^2 + 1$ とする。

$f'(x) = 3x^2$, $g'(x) = 2x$

$$h'(x) = \dfrac{3x^2(x^2 + 1) - (x^3 - 1)(2x)}{(x^2 + 1)^2}$$

分子を展開すると:

$$= \dfrac{3x^4 + 3x^2 - 2x^4 + 2x}{(x^2 + 1)^2}$$ $$= \dfrac{x^4 + 3x^2 + 2x}{(x^2 + 1)^2}$$ $$= \dfrac{x(x^3 + 3x + 2)}{(x^2 + 1)^2}$$

7.3 特殊な場合

$\dfrac{1}{g(x)}$ の微分

$g(x) \neq 0$ のとき:

$$\left(\dfrac{1}{g(x)}\right)' = -\dfrac{g'(x)}{(g(x))^2}$$
証明

商の公式で $f(x) = 1$ とすると、$f'(x) = 0$ なので:

$$\left(\dfrac{1}{g}\right)' = \dfrac{0 \cdot g - 1 \cdot g'}{g^2} = -\dfrac{g'}{g^2}$$
例:$h(x) = \dfrac{1}{x^2 + 1}$ の微分

$g(x) = x^2 + 1$, $g'(x) = 2x$ より:

$$h'(x) = -\dfrac{2x}{(x^2 + 1)^2}$$

7.4 積と商の組み合わせ

例:$h(x) = \dfrac{x(x-1)}{x+1}$ の微分

方法1:分子の微分に積の公式を使う

分子を $f(x) = x(x-1)$, 分母を $g(x) = x+1$ とする。分子は積なので、積の公式で微分する:

$$f'(x) = 1 \cdot (x-1) + x \cdot 1 = 2x - 1$$

また $g'(x) = 1$ である。

商の公式に入れると:

$$h'(x) = \dfrac{(2x-1)(x+1) - x(x-1) \cdot 1}{(x+1)^2}$$

分子を展開すると:

$$\begin{aligned}&(2x-1)(x+1) - x(x-1) \\ &= (2x^2 + x - 1) - (x^2 - x) \\ &= x^2 + 2x - 1\end{aligned}$$ $$h'(x) = \dfrac{x^2 + 2x - 1}{(x+1)^2}$$

方法2:分子を先に展開してから商の公式

$h(x) = \dfrac{x^2 - x}{x+1}$ と展開しておくと、分子の微分は積の公式を使わずに $(x^2 - x)' = 2x - 1$ と求まる。あとは方法1と同じ計算になり、同じ結果が得られる。

7.5 公式のまとめ

積と商の微分公式
形 公式
積 $(fg)'$ $f'g + fg'$
商 $\left(\dfrac{f}{g}\right)'$ $\dfrac{f'g - fg'}{g^2}$
逆数 $\left(\dfrac{1}{g}\right)'$ $-\dfrac{g'}{g^2}$

どちらも「一方だけを微分し、もう一方はそのまま」にした項からできている。積は 2 つの項を $+$ で結び、商は $-$ で結んで $g^2$ で割る。

よくある質問

積の微分公式 $(fg)' = f'g + fg'$ はどう覚えるか

「前を微分して後はそのまま、次に前はそのまま後を微分して足す」と覚えよう。図1の長方形で見ると、「$f$ だけが変化した分 $f'g$ と $g$ だけが変化した分 $fg'$ の合計」と理解できる。

商の微分公式の符号はなぜ引き算なのか

$\dfrac{f}{g}$ は分母 $g$ が大きくなるほど小さくなる($f$ が正のとき)。だから $g$ の変化 $g'$ が効く項 $fg'$ には、マイナスがつく。分子 $f$ の変化が効く項 $f'g$ は、積のときと同じくプラスである。積の微分 $f'g + fg'$ と比べて「後ろの項のプラスがマイナスになる」と覚えると混乱しにくい。

3つ以上の積の微分はどうなるか

$(fgh)' = f'gh + fg'h + fgh'$ となる。一般に $n$ 個の積の微分では、各因子を 1 つだけ微分し残りはそのままにしたものの和である。積の微分公式を繰り返し適用することで導ける。

練習問題

練習1:積の微分

次の関数を微分せよ。

  1. $f(x) = (x+2)(x-3)$
  2. $f(x) = (x^2+1)(x^3-x)$
  3. $f(x) = x^2(x+1)^2$(ヒント:$(x+1)^2 = x^2+2x+1$)
練習2:商の微分

次の関数を微分せよ。

  1. $f(x) = \dfrac{x}{x+1}$
  2. $f(x) = \dfrac{x^2-1}{x^2+1}$
  3. $f(x) = \dfrac{x^3}{x-1}$
練習3:応用

$f(x) = \dfrac{x^2+1}{x}$($x \neq 0$)を微分し、$f'(x) = 0$ となる $x$ を求めよ。

解答を見る

練習1の解答

  1. $f'(x) = 1 \cdot (x-3) + (x+2) \cdot 1 = x-3+x+2 = 2x-1$
  2. $f'(x) = 2x(x^3-x) + (x^2+1)(3x^2-1)$
    $= 2x^4-2x^2 + 3x^4-x^2+3x^2-1 = 5x^4-1$
  3. $(x+1)^2 = x^2+2x+1$ より
    $f'(x) = 2x(x^2+2x+1) + x^2(2x+2)$
    $= 2x^3+4x^2+2x + 2x^3+2x^2 = 4x^3+6x^2+2x = 2x(2x^2+3x+1)$

練習2の解答

  1. $f'(x) = \dfrac{1 \cdot (x+1) - x \cdot 1}{(x+1)^2} = \dfrac{1}{(x+1)^2}$
  2. $f'(x) = \dfrac{2x(x^2+1) - (x^2-1)(2x)}{(x^2+1)^2}$
    $= \dfrac{2x^3+2x-2x^3+2x}{(x^2+1)^2} = \dfrac{4x}{(x^2+1)^2}$
  3. $f'(x) = \dfrac{3x^2(x-1) - x^3 \cdot 1}{(x-1)^2} = \dfrac{3x^3-3x^2-x^3}{(x-1)^2} = \dfrac{2x^3-3x^2}{(x-1)^2} = \dfrac{x^2(2x-3)}{(x-1)^2}$

練習3の解答

$f(x) = \dfrac{x^2+1}{x} = x + \dfrac{1}{x}$ と変形できるので:

$f'(x) = 1 - \dfrac{1}{x^2} = \dfrac{x^2-1}{x^2}$

$f'(x) = 0$ となるのは $x^2 - 1 = 0$ より $x = \pm 1$