| English | 意味 |
|---|---|
| power/ˈpaʊə/ | べき |
| Power Rule/ˈpaʊə ruːl/ | べきの法則 |
| integer/ˈɪntɪdʒə/ | 整数 |
極限の代わりに使える簡易法則
- 定義からすべての導関数を計算するのは時間がかかります。パターンがあります。
- $x$ のべき関数については、一つのルールですぐに解けます:べき乗則(Power Rule) です。
-
$$\frac{d}{dx}\big[x^n\big]=n\,x^{\,n-1}$$
- 「指数を係数として下ろし、指数から1を引きます」。
べき関数とその接線の傾き
y = x²
$y=x^2$に対してべき乗則を用いると傾きは$2x$となり、点を移動して接線の傾きが$2x$と一致するか確認します。
実際に使ってみる
- $\dfrac{d}{dx}[x^3]=3x^2$ — $3$ が前に移り、指数は $3\to2$ になります。
- $\dfrac{d}{dx}[x]=1\cdot x^0=1$ — $x$ の導関数は $1$ です。
- $\dfrac{d}{dx}[x^{10}]=10x^9$.
- 極限定義と一致します($\frac{d}{dx}[x^2]=2x$ を見つけました)、しかし1行で済みます。
$\dfrac{d}{dx}[x^5]$ は何か?
難易度 1/5 · 100 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
$5$を下ろして指数を減らすと:$5x^{5-1}=5x^4$。
$f(x)=x^4$ が与えられたとき、$f'(2)$ を求めよ。
難易度 2/5 · 140 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
$f'(x)=4x^3$ 、したがって $f'(2)=4\cdot8=32$ 。
どんな 指数にも適用されます
- $n$ は正の 整数 だけでなく、負の 指数や 有理数 (分数)の指数也可以是;
- 負の指数の場合: $\dfrac{d}{dx}[x^{-2}]=-2x^{-3}$ 。
- 有理数の指数の場合: $\dfrac{d}{dx}\big[x^{1/2}\big]=\tfrac12 x^{-1/2}$ 。
- いつも同じルール: $n$ を下ろし、指数を1減らします。
$\dfrac{d}{dx}[x^{-2}]=-2x^{\square}$ 。指数 $\square$ は ____ です。
難易度 1/5 · 100 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
$-2$ を1だけ減らすと: $-2-1=-3$ になります。
べきの法則で、どの式を直接微分できますか?(変形後)
難易度 2/5 · 140 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
すべてを変形すると $x$ の累乗となりますが、 $5^x$ は指数関数であり、 $x$ の累乗ではありません。
まず変形してから微分する
- 根号と逆数は隠れたべき乗です — ルールを適用する前に、これらを $x^n$ の形に変換します。
- $\sqrt{x}=x^{1/2}$ なので、$\dfrac{d}{dx}[\sqrt x]=\tfrac12 x^{-1/2}=\dfrac{1}{2\sqrt x}$ 。
- $\dfrac{1}{x^3}=x^{-3}$ なので、$\dfrac{d}{dx}\!\left[\dfrac1{x^3}\right]=-3x^{-4}=-\dfrac{3}{x^4}$ 。
- 各項を べき乗 に書き換えることが、重要な準備ステップです。
変形して微分する:$\dfrac{d}{dx}[\sqrt x]$は以下のように表されます...
難易度 1/5 · 100 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
$\sqrt x=x^{1/2}\Rightarrow \tfrac12 x^{-1/2}=\tfrac1{2\sqrt x}$.
べきの法則は $2^x$ に適用され、 $x\cdot 2^{x-1}$ が得られます。
難易度 1/5 · 100 コイン + 今日初回完了時に小ボーナス付与
べきの法則には変数を底とし定数指数が必要です。 $2^x$ は指数関数です(次回の授業)。
べき乗則は、定数指数を持つ変数底($x^n$)に適用される。定数底・変数指数($\frac{d}{dx}[2^x]\neq x\,2^{x-1}$)には適用できない。(こちらは指数関数であり、次回の授業で扱う。)また、指数を減らすことを忘れるな:$\frac{d}{dx}[x^{-2}]=-2x^{-3}$であり、$-2x^{-2}$ではない。
関数 $g(x)=\sqrt[3]{x^2}+\dfrac{1}{x}$ を微分してください。
- べき乗に書き換えます: $g(x)=x^{2/3}+x^{-1}$ 。
- 項ごとにべき乗則を適用: $\tfrac23 x^{-1/3}$ と $-1\cdot x^{-2}$ 。
- $g'(x)=\tfrac23 x^{-1/3}-x^{-2}=\dfrac{2}{3\sqrt[3]{x}}-\dfrac1{x^2}$.
べき乗則 $\frac{d}{dx}[x^n]=n\,x^{n-1}$ は、整数、負、あるいは有理数など、あらゆる 定数指数に適用できます。まず根号と逆数を べき乗 に書き換え、指数を下ろして1を引きます。これはべき関数における極限定義の代わりとなります。