WIIS

多変数関数の微分

多変数関数と1変数関数の合成関数の偏微分

目次

Mailで保存
Xで共有

多変数関数と1変数関数の合成関数の偏微分

多変数関数と1変数関数\begin{eqnarray*}
f &:&\mathbb{R} ^{n}\supset X\rightarrow \mathbb{R} \\
g &:&\mathbb{R} \supset Y\rightarrow \mathbb{R} \end{eqnarray*}が与えられているものとします。\(f\)の値域\(f\left( X\right) \)が\(g\)の定義域\(Y\)の部分集合である場合には、すなわち、\begin{equation*}f\left( X\right) \subset Y
\end{equation*}が成り立つ場合には合成関数\begin{equation*}
g\circ f:\mathbb{R} ^{n}\supset X\rightarrow \mathbb{R} \end{equation*}が定義可能であり、これはそれぞれのベクトル\(\boldsymbol{x}\in X\)に対して、以下の実数\begin{equation*}\left( g\circ f\right) \left( \boldsymbol{x}\right) =g\left( f\left(
\boldsymbol{x}\right) \right) =g\left( f\left( x_{1},\cdots ,x_{n}\right)
\right)
\end{equation*}を値として定めます。以上を踏まえた上で、合成関数\(g\circ f\)を構成する2つの関数\(f,g\)が以下の条件を満たすものとします。

1つ目の条件は、多変数関数\(f\)が定義域上の点\(\boldsymbol{a}\in X\)において変数\(x_{k}\)に関して偏微分可能であるということです。つまり、点\(\boldsymbol{a}\)は関数\(f\)の定義域\(X\)の内点であるとともに、関数\(f\)の点\(\boldsymbol{a}\)における変数\(x_{k}\)に関する偏微分係数\begin{equation*}\frac{\partial f\left( \boldsymbol{a}\right) }{\partial x_{k}}=\left. \frac{\partial f\left( \boldsymbol{x}\right) }{\partial x_{k}}\right\vert _{\boldsymbol{x}=\boldsymbol{a}}
\end{equation*}が有限な実数として定まるということです。

多変数関数\(f\)が先の点\(\boldsymbol{a}\)に対して定める値は実数\(f\left( \boldsymbol{a}\right) \)ですが、合成関数の定義より、この点\(f\left( \boldsymbol{a}\right) \)は1変数関数\(g\)の定義域\(Y\)上の点です。そこで、2つ目の条件として、関数\(g\)は点\(f\left( \boldsymbol{a}\right) \)において微分可能であるものとします。つまり、点\(f\left( \boldsymbol{a}\right) \)は関数\(g\)の定義域\(Y\)の内点であるとともに、関数\(g\)の点\(f\left( \boldsymbol{a}\right) \)における微分係数\begin{equation*}\frac{dg\left( f\left( \boldsymbol{a}\right) \right) }{dx}=\left. \frac{dg\left( x\right) }{dx}\right\vert _{x=f\left( \boldsymbol{a}\right) }
\end{equation*}が有限な実数として定まるということです。

以上の諸条件が満たされる場合には、合成関数\(g\circ f\)もまた点\(\boldsymbol{a}\)において変数\(x_{k}\)に関して偏微分可能であることが保証されるとともに、そこでの偏微分係数が、\begin{eqnarray*}\frac{\partial \left( g\circ f\right) \left( \boldsymbol{a}\right) }{\partial x_{k}} &=&\frac{dg\left( f\left( \boldsymbol{a}\right) \right) }{dx}\cdot \frac{\partial f\left( \boldsymbol{a}\right) }{\partial x_{k}} \\
&=&\left. \frac{dg\left( x\right) }{dx}\right\vert _{x=f\left( \boldsymbol{a}\right) }\cdot \left. \frac{\partial f\left( \boldsymbol{x}\right) }{\partial x_{k}}\right\vert _{\boldsymbol{x}=\boldsymbol{a}}
\end{eqnarray*}として定まることが保証されます。

つまり、点\(\boldsymbol{a}\)において変数\(x_{k}\)に関して偏微分可能な多変数関数\(f\)と、点\(f\left( \boldsymbol{a}\right) \)において微分可能な1変数関数\(g\)の合成関数であるような多変数関数\(g\circ f\)が与えられたとき、\(g\circ f\)もまた点\(\boldsymbol{a}\)において変数\(x_{k}\)に関して偏微分可能であることが保証されるとともに、\(f\)の点\(\boldsymbol{a}\)における変数\(x_{k}\)に関する偏微分係数と、\(g\)の点\(f\left( \boldsymbol{a}\right) \)における微分係数の積をとれば\(g\circ f\)の点\(\boldsymbol{a}\)における変数\(x_{k}\)に関する偏微分係数が得られることを上の命題は保証しています。

したがって、2つの関数\(f,g\)の合成関数\(g\circ f\)の偏微分可能性を判定する際には、偏微分の定義にさかのぼって考える前に、まずは\(f\)と\(g\)に分けた上で、それらがそれぞれ必要な点において偏微分・微分可能であることを確認すればよいということになります。

命題(多変数関数と1変数関数の合成関数の偏微分)
多変数関数と1変数関数\begin{eqnarray*}
f &:&\mathbb{R} ^{n}\supset X\rightarrow \mathbb{R} \\
g &:&\mathbb{R} \supset Y\rightarrow \mathbb{R} \end{eqnarray*}が与えられているものとする。\(f\left( X\right) \subset Y\)が成り立つものとする。この場合、合成関数\begin{equation*}g\circ f:\mathbb{R} ^{n}\supset X\rightarrow \mathbb{R} \end{equation*}が定義可能である。点\(\boldsymbol{a}\in X\)に対して、以下の2つの条件\begin{eqnarray*}&&\left( a\right) \ f\text{は点}\boldsymbol{a}\text{において変数}x_{k}\text{に関して偏微分可能} \\
&&\left( b\right) \ g\text{は点}f\left( \boldsymbol{a}\right)
\text{において微分可能}
\end{eqnarray*}が成り立つ場合には、\(g\circ f\)もまた点\(\boldsymbol{a}\)において変数\(x_{k}\)に関して偏微分可能であり、そこでの偏微分係数は、\begin{eqnarray*}\frac{\partial \left( g\circ f\right) \left( \boldsymbol{a}\right) }{\partial x_{k}} &=&\frac{dg\left( f\left( \boldsymbol{a}\right) \right) }{dx}\cdot \frac{\partial f\left( \boldsymbol{a}\right) }{\partial x_{k}} \\
&=&\left. \frac{dg\left( x\right) }{dx}\right\vert _{x=f\left( \boldsymbol{a}\right) }\cdot \left. \frac{\partial f\left( \boldsymbol{x}\right) }{\partial x_{k}}\right\vert _{\boldsymbol{x}=\boldsymbol{a}}
\end{eqnarray*}となる。

証明

プレミアム会員専用コンテンツです
ログイン】【会員登録

例(多変数関数と1変数関数の合成関数の偏微分)
多変数関数と1変数関数\begin{eqnarray*}
f &:&\mathbb{R} ^{n}\supset X\rightarrow \mathbb{R} \\
g &:&\mathbb{R} \supset Y\rightarrow \mathbb{R} \end{eqnarray*}が与えられているものとします。\(f\left( X\right) \subset Y\)が成り立つ場合には合成関数\begin{equation*}g\circ f:\mathbb{R} ^{n}\supset X\rightarrow \mathbb{R} \end{equation*}が定義可能です。\(X\)は\(\mathbb{R} ^{n}\)上の開集合であり、\(Y\)は\(\mathbb{R} \)上の開集合であるものとします。この場合、任意の点\(\boldsymbol{x}\in X\)は\(X\)の内点であるとともに、点\(f\left( \boldsymbol{x}\right) \in Y\)は\(Y\)の内点です。したがって、以下の2つの条件\begin{eqnarray*}&&\left( a\right) \ f\text{は}X\text{上において変数}x_{k}\text{に関して偏微分可能} \\
&&\left( b\right) \ g\text{は}Y\text{上において微分可能}
\end{eqnarray*}が成り立つ場合には、先の命題より、合成関数\(g\circ f\)は\(X\)上で変数\(x_{k}\)に関して偏微分可能であり、偏導関数\(\frac{\partial \left( g\circ f\right) }{\partial x_{k}}:\mathbb{R} ^{n}\supset X\rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(\boldsymbol{x}\in X\)に対して、\begin{equation*}\frac{\partial \left( g\circ f\right) \left( \boldsymbol{x}\right) }{\partial x_{k}}=\left. \frac{dg\left( y\right) }{dy}\right\vert _{y=f\left(
\boldsymbol{x}\right) }\cdot \frac{\partial f\left( \boldsymbol{x}\right) }{\partial x_{k}}
\end{equation*}を定めます。

例(多変数関数と1変数関数の合成関数の偏微分)
関数\(f:\mathbb{R} ^{2}\rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(\left( x,y\right) \in \mathbb{R} ^{2}\)に対して、\begin{equation*}f\left( x,y\right) =\frac{1}{x^{2}+y^{2}+1}
\end{equation*}を定めるものとします。\(f\)は多変数の多項式関数\(x^{2}+y^{2}+1\)と1変数の有理関数\(\frac{1}{x}\)の合成関数であることに注意してください。関数\(x^{2}+y^{2}+1\)は\(\mathbb{R} ^{2}\)上で変数\(x\)に関して偏微分可能であり、関数\(\frac{1}{x}\)は任意の点\(z=x^{2}+y^{2}+1\)において微分可能であるため、先の命題より\(f\)は\(\mathbb{R} ^{2}\)上で変数\(x\)に関して偏微分可能であり、偏導関数\(\frac{\partial f}{\partial x}:\mathbb{R} ^{2}\rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(\left( x,y\right) \in \mathbb{R} ^{2}\)に対して、\begin{eqnarray*}\frac{\partial f\left( x,y\right) }{\partial x} &=&\frac{\partial }{\partial
x}\left( \frac{1}{x^{2}+y^{2}+1}\right) \quad \because f\text{の定義} \\
&=&\left. \frac{d}{dz}\left( \frac{1}{z}\right) \right\vert
_{z=x^{2}+y^{2}+1}\cdot \frac{\partial }{\partial x}\left(
x^{2}+y^{2}+1\right) \quad \because \text{合成関数の偏微分} \\
&=&\left. -\frac{1}{z^{2}}\right\vert _{z=x^{2}+y^{2}+1}\cdot 2x\quad
\because \text{有理関数の微分および多項式関数の偏微分} \\
&=&-\frac{1}{\left( x^{2}+y^{2}+1\right) ^{2}}\cdot 2x \\
&=&-\frac{2x}{\left( x^{2}+y^{2}+1\right) ^{2}}
\end{eqnarray*}を定めます。同様に、\(f\)は\(\mathbb{R} ^{2}\)上で変数\(y\)に関して偏微分可能であり、偏導関数\(\frac{\partial f}{\partial y}:\mathbb{R} ^{2}\rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(\left( x,y\right) \in \mathbb{R} ^{2}\)に対して、\begin{eqnarray*}\frac{\partial f\left( x,y\right) }{\partial y} &=&\frac{\partial }{\partial
y}\left( \frac{1}{x^{2}+y^{2}+1}\right) \quad \because f\text{の定義} \\
&=&\left. \frac{d}{dz}\left( \frac{1}{z}\right) \right\vert
_{z=x^{2}+y^{2}+1}\cdot \frac{\partial }{\partial y}\left(
x^{2}+y^{2}+1\right) \quad \because \text{合成関数の偏微分} \\
&=&\left. -\frac{1}{z^{2}}\right\vert _{z=x^{2}+y^{2}+1}\cdot 2y\quad
\because \text{有理関数の微分および多項式関数の偏微分} \\
&=&-\frac{1}{\left( x^{2}+y^{2}+1\right) ^{2}}\cdot 2y \\
&=&-\frac{2y}{\left( x^{2}+y^{2}+1\right) ^{2}}
\end{eqnarray*}を定めます。

例(多変数関数と1変数関数の合成関数の偏微分)
関数\(f:\mathbb{R} ^{2}\rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(\left( x,y\right) \in \mathbb{R} ^{2}\)に対して、\begin{equation*}f\left( x,y\right) =\sin \left( x^{2}y^{3}\right)
\end{equation*}を定めるものとします。\(f\)は多変数の単項式関数\(x^{2}y^{3}\)と1変数の正弦関数\(\sin \left( z\right) \)の合成関数であることに注意してください。関数\(x^{2}y^{3}\)は\(\mathbb{R} ^{2}\)上で変数\(x\)に関して偏微分可能であり、関数\(\sin \left( z\right) \)は\(\mathbb{R} \)上で微分可能であるため、先の命題より\(f\)は\(\mathbb{R} ^{2}\)上で変数\(x\)に関して偏微分可能であり、偏導関数\(\frac{\partial f}{\partial x}:\mathbb{R} ^{2}\rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(\left( x,y\right) \in \mathbb{R} ^{2}\)に対して、\begin{eqnarray*}\frac{\partial f\left( x,y\right) }{\partial x} &=&\frac{\partial }{\partial
x}\sin \left( x^{2}y^{3}\right) \quad \because f\text{の定義} \\
&=&\left. \frac{d}{dz}\left( \sin \left( z\right) \right) \right\vert
_{z=x^{2}y^{3}}\cdot \frac{\partial }{\partial x}\left( x^{2}y^{3}\right)
\quad \because \text{合成関数の偏微分} \\
&=&\left. \cos \left( z\right) \right\vert _{z=x^{2}y^{3}}\cdot 2xy^{3}\quad
\because \text{正弦関数の微分および多項式関数の偏微分} \\
&=&\cos \left( x^{2}y^{3}\right) \cdot 2xy^{3} \\
&=&2xy^{3}\cos \left( x^{2}y^{3}\right)
\end{eqnarray*}を定めます。同様に、偏導関数\(\frac{\partial f}{\partial y}:\mathbb{R} ^{2}\rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(\left( x,y\right) \in \mathbb{R} ^{2}\)に対して、\begin{eqnarray*}\frac{\partial f\left( x,y\right) }{\partial y} &=&\frac{\partial }{\partial
x}\sin \left( x^{2}y^{3}\right) \quad \because f\text{の定義} \\
&=&\left. \frac{d}{dz}\left( \sin \left( z\right) \right) \right\vert
_{z=x^{2}y^{3}}\cdot \frac{\partial }{\partial y}\left( x^{2}y^{3}\right)
\quad \because \text{合成関数の偏微分} \\
&=&\left. \cos \left( z\right) \right\vert _{z=x^{2}y^{3}}\cdot
3x^{2}y^{2}\quad \because \text{正弦関数の微分および多項式関数の偏微分} \\
&=&\cos \left( x^{2}y^{3}\right) \cdot 3x^{2}y^{2} \\
&=&3x^{2}y^{2}\cos \left( x^{2}y^{3}\right)
\end{eqnarray*}を定めます。

 

多変数関数と1変数関数の合成関数の勾配ベクトル

先の命題より、勾配ベクトルに関する以下の命題が得られます。

命題(多変数関数と1変数関数の合成関数の偏微分)
多変数関数と1変数関数\begin{eqnarray*}
f &:&\mathbb{R} ^{n}\supset X\rightarrow \mathbb{R} \\
g &:&\mathbb{R} \supset Y\rightarrow \mathbb{R} \end{eqnarray*}が与えられているものとする。\(f\left( X\right) \subset Y\)が成り立つものとする。この場合、合成関数\begin{equation*}g\circ f:\mathbb{R} ^{n}\supset X\rightarrow \mathbb{R} \end{equation*}が定義可能である。点\(\boldsymbol{a}\in X\)に対して、以下の2つの条件\begin{eqnarray*}&&\left( a\right) \ f\text{は点}\boldsymbol{a}\text{において偏微分可能} \\
&&\left( b\right) \ g\text{は点}f\left( \boldsymbol{a}\right)
\text{において微分可能}
\end{eqnarray*}が成り立つ場合には、\(g\circ f\)もまた点\(\boldsymbol{a}\)において偏微分可能であり、そこでの勾配ベクトルは、\begin{eqnarray*}\nabla \left( g\circ f\right) \left( \boldsymbol{a}\right) &=&\frac{dg\left( f\left( \boldsymbol{a}\right) \right) }{dx}\nabla f\left(
\boldsymbol{a}\right) \\
&=&\left. \frac{dg\left( x\right) }{dx}\right\vert _{x=f\left( \boldsymbol{a}\right) }\nabla f\left( \boldsymbol{a}\right)
\end{eqnarray*}となる。

証明

プレミアム会員専用コンテンツです
ログイン】【会員登録

例(多変数関数と1変数関数の合成関数の勾配ベクトル)
多変数関数と1変数関数\begin{eqnarray*}
f &:&\mathbb{R} ^{n}\supset X\rightarrow \mathbb{R} \\
g &:&\mathbb{R} \supset Y\rightarrow \mathbb{R} \end{eqnarray*}が与えられているものとします。\(f\left( X\right) \subset Y\)が成り立つ場合には合成関数\begin{equation*}g\circ f:\mathbb{R} ^{n}\supset X\rightarrow \mathbb{R} \end{equation*}が定義可能です。\(X\)は\(\mathbb{R} ^{n}\)上の開集合であり、\(Y\)は\(\mathbb{R} \)上の開集合であるものとします。この場合、任意の点\(\boldsymbol{x}\in X\)は\(X\)の内点であるとともに、点\(f\left( \boldsymbol{x}\right) \in Y\)は\(Y\)の内点です。したがって、以下の2つの条件\begin{eqnarray*}&&\left( a\right) \ f\text{は}X\text{上において偏微分可能} \\
&&\left( b\right) \ g\text{は}Y\text{上において微分可能}
\end{eqnarray*}が成り立つ場合には、先の命題より、合成関数\(g\circ f\)は\(X\)上で変数\(x_{k}\)に関して偏微分可能であり、勾配ベクトル場\(\nabla \left( g\circ f\right) :\mathbb{R} ^{n}\supset X\rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(\boldsymbol{x}\in X\)に対して、\begin{equation*}\nabla \left( g\circ f\right) \left( \boldsymbol{x}\right) =\left. \frac{dg\left( y\right) }{dy}\right\vert _{y=f\left( x\right) }\nabla f\left(
\boldsymbol{x}\right)
\end{equation*}を定めます。

例(多変数関数と1変数関数の勾配ベクトル)
関数\(f:\mathbb{R} ^{2}\rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(\left( x,y\right) \in \mathbb{R} ^{2}\)に対して、\begin{equation*}f\left( x,y\right) =\frac{1}{x^{2}+y^{2}+1}
\end{equation*}を定めるものとします。\(f\)は多変数の多項式関数\(x^{2}+y^{2}+1\)と1変数の有理関数\(\frac{1}{z}\)の合成関数であるため\(\mathbb{R} ^{2}\)上で偏微分可能であり、勾配ベクトル場\(\nabla f\left( x,y\right) :\mathbb{R} ^{2}\rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(\left( x,y\right) \in \mathbb{R} ^{2}\)に対して、\begin{eqnarray*}\nabla f\left( x,y\right) &=&\left. \frac{d}{dz}\left( \frac{1}{z}\right)
\right\vert _{z=x^{2}+y^{2}+1}\cdot \nabla \left( x^{2}+y^{2}+1\right) \\
&=&\left. -\frac{1}{z^{2}}\right\vert _{z=x^{2}+y^{2}+1}\cdot \left( \frac{\partial }{\partial x}\left( x^{2}+y^{2}+1\right) ,\frac{\partial }{\partial
y}\left( x^{2}+y^{2}+1\right) \right) \\
&=&-\frac{1}{x^{2}+y^{2}+1}\cdot \left( 2x,2y\right) \\
&=&\left( -\frac{2x}{\left( x^{2}+y^{2}+1\right) ^{2}},-\frac{2y}{\left(
x^{2}+y^{2}+1\right) ^{2}}\right)
\end{eqnarray*}を定めます。

例(多変数関数と1変数関数の勾配ベクトル)
関数\(f:\mathbb{R} ^{2}\rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(\left( x,y\right) \in \mathbb{R} ^{2}\)に対して、\begin{equation*}f\left( x,y\right) =\sin \left( x^{2}y^{3}\right)
\end{equation*}を定めるものとします。\(f\)は多変数の単項式関数\(x^{2}y^{3}\)と1変数の正弦関数\(\sin \left( z\right) \)の合成関数であるため\(\mathbb{R} ^{2}\)上で偏微分可能であり、勾配ベクトル場\(\nabla f\left( x,y\right) :\mathbb{R} ^{2}\rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(\left( x,y\right) \in \mathbb{R} ^{2}\)に対して、\begin{eqnarray*}\nabla f\left( x,y\right) &=&\left. \frac{d}{dz}\left( \sin \left( z\right)
\right) \right\vert _{z=x^{2}y^{3}}\cdot \nabla \left( x^{2}y^{3}\right) \\
&=&\left. \cos \left( z\right) \right\vert _{x=x^{2}y^{3}}\cdot \left( \frac{\partial }{\partial x}\left( x^{2}y^{3}\right) ,\frac{\partial }{\partial y}\left( x^{2}y^{3}\right) \right) \\
&=&\cos \left( x^{2}y^{3}\right) \cdot \left( 2xy^{3},3x^{2}y^{2}\right) \\
&=&\left( 2xy^{3}\cos \left( x^{2}y^{3}\right) ,3x^{2}y^{2}\cos \left(
x^{2}y^{3}\right) \right)
\end{eqnarray*}を定めます。

 

3つ以上の関数の合成関数の偏微分

1つの多変数関数と2つの実数値関数\begin{eqnarray*}
f &:&\mathbb{R} ^{n}\supset X\rightarrow \mathbb{R} \\
g &:&\mathbb{R} \supset Y\rightarrow \mathbb{R} \\
h &:&\mathbb{R} \supset Z\rightarrow \mathbb{R} \end{eqnarray*}が与えられているとともに、これらの間に以下の関係\begin{eqnarray*}
f\left( X\right) &\subset &Y \\
g\left( Y\right) &\subset &Z
\end{eqnarray*}が成り立つ場合には合成関数\begin{equation*}
h\circ g\circ f:\mathbb{R} ^{n}\supset X\rightarrow \mathbb{R} \end{equation*}が定義可能であり、それぞれの\(\boldsymbol{x}\in X\)に対して、\begin{eqnarray*}\left( h\circ g\circ f\right) \left( \boldsymbol{x}\right) &=&\left( h\circ
g\right) \left( f\left( \boldsymbol{x}\right) \right) \quad \because \text{合成関数の定義} \\
&=&h\left( g\left( f\left( \boldsymbol{x}\right) \right) \right) \quad
\because \text{合成関数の定義}
\end{eqnarray*}を定めます。以上を踏まえた上で、合成関数\(h\circ g\circ f\)を構成する関数\(f,g,h\)に関して以下の3つの条件が成り立つものとします。

1つ目の条件は、多変数関数\(f\)が定義域上の点\(\boldsymbol{a}\in X\)において変数\(x_{k}\)に関して偏微分可能であるということです。つまり、点\(\boldsymbol{a}\)は関数\(f\)の定義域\(X\)の内点であるとともに、関数\(f\)の点\(\boldsymbol{a}\)における変数\(x_{k}\)に関する偏微分係数\begin{equation*}\frac{\partial f\left( \boldsymbol{a}\right) }{\partial x_{k}}=\left. \frac{\partial f\left( \boldsymbol{x}\right) }{\partial x_{k}}\right\vert _{\boldsymbol{x}=\boldsymbol{a}}
\end{equation*}が有限な実数として定まるということです。

多変数関数\(f\)が先の点\(\boldsymbol{a}\)に対して定める値は実数\(f\left( \boldsymbol{a}\right) \)ですが、合成関数の定義より、この点\(f\left( \boldsymbol{a}\right) \)は1変数関数\(g\)の定義域\(Y\)上の点です。そこで、2つ目の条件として、関数\(g\)は点\(f\left( \boldsymbol{a}\right) \)において微分可能であるものとします。つまり、点\(f\left( \boldsymbol{a}\right) \)は関数\(g\)の定義域\(Y\)の内点であるとともに、関数\(g\)の点\(f\left( \boldsymbol{a}\right) \)における微分係数\begin{equation*}\frac{dg\left( f\left( \boldsymbol{a}\right) \right) }{dx}=\left. \frac{dg\left( x\right) }{dx}\right\vert _{x=f\left( \boldsymbol{a}\right) }
\end{equation*}が有限な実数として定まるということです。

1変数関数\(g\)が先の点\(f\left( \boldsymbol{a}\right) \)に対して定める値は実数\(g\left( f\left( \boldsymbol{a}\right) \right) \)ですが、合成関数の定義より、この点\(g\left( f\left( \boldsymbol{a}\right) \right) \)は1変数関数\(h\)の定義域\(Z\)上の点です。そこで、3つ目の条件として、関数\(h\)は点\(g\left( f\left( \boldsymbol{a}\right)\right) \)において微分可能であるものとします。つまり、点\(g\left( f\left( \boldsymbol{a}\right) \right) \)は関数\(h\)の定義域\(Z\)の内点であるとともに、関数\(h\)の点\(g\left( f\left( \boldsymbol{a}\right) \right) \)における微分係数\begin{equation*}\frac{dh\left( g\left( f\left( \boldsymbol{a}\right) \right) \right) }{dx}=\left. \frac{dh\left( x\right) }{dx}\right\vert _{x=g\left( f\left(
\boldsymbol{a}\right) \right) }
\end{equation*}が有限な実数として定まるということです。

以上の条件が満たされる場合には、合成関数\(h\circ g\circ f\)もまた点\(\boldsymbol{a}\)において変数\(x_{k}\)に関して偏微分可能であることが保証されるとともに、そこでの偏微分係数が、\begin{eqnarray*}\frac{\partial \left( h\circ g\circ f\right) \left( \boldsymbol{a}\right) }{\partial x_{k}} &=&\frac{dh\left( g\left( f\left( \boldsymbol{a}\right)
\right) \right) }{dx}\cdot \frac{dg\left( f\left( \boldsymbol{a}\right)
\right) }{dx}\cdot \frac{\partial f\left( \boldsymbol{a}\right) }{\partial
x_{k}} \\
&=&\left. \frac{dh\left( x\right) }{dx}\right\vert _{x=g\left( f\left(
\boldsymbol{a}\right) \right) }\cdot \left. \frac{dg\left( x\right) }{dx}\right\vert _{x=f\left( \boldsymbol{a}\right) }\cdot \left. \frac{\partial
f\left( \boldsymbol{x}\right) }{\partial x_{k}}\right\vert _{\boldsymbol{x}=\boldsymbol{a}}
\end{eqnarray*}と定まることが保証されます。

命題(3つ以上の関数の合成関数の偏微分)
多変数関数と1変数関数\begin{eqnarray*}
f &:&\mathbb{R} ^{n}\supset X\rightarrow \mathbb{R} \\
g &:&\mathbb{R} \supset Y\rightarrow \mathbb{R} \\
h &:&\mathbb{R} \supset Z\rightarrow \mathbb{R} \end{eqnarray*}が与えられているものとする。\(f\left( X\right) \subset Y\)かつ\(g\left( Y\right) \subset Z\)が成り立つものとする。この場合、合成関数\begin{equation*}\left( h\circ g\circ f\right) \left( x\right) :\mathbb{R} ^{n}\supset X\rightarrow \mathbb{R} \end{equation*}が定義可能である。点\(\boldsymbol{a}\in X\)に対して、以下の3つの条件\begin{eqnarray*}&&\left( a\right) \ f\text{は点}\boldsymbol{a}\text{において変数}x_{k}\text{に関して偏微分可能} \\
&&\left( b\right) \ g\text{は点}f\left( \boldsymbol{a}\right)
\text{において微分可能} \\
&&\left( c\right) \ h\text{は点}g\left( f\left( \boldsymbol{a}\right) \right) \text{において微分可能}
\end{eqnarray*}が成り立つ場合には、\(h\circ g\circ f\)もまた点\(\boldsymbol{a}\)において変数\(x_{k}\)に関して偏微分可能であり、そこでの偏微分係数は、\begin{eqnarray*}\frac{\partial \left( h\circ g\circ f\right) \left( \boldsymbol{a}\right) }{\partial x_{k}} &=&\frac{dh\left( g\left( f\left( \boldsymbol{a}\right)
\right) \right) }{dx}\cdot \frac{dg\left( f\left( \boldsymbol{a}\right)
\right) }{dx}\cdot \frac{\partial f\left( \boldsymbol{a}\right) }{\partial
x_{k}} \\
&=&\left. \frac{dh\left( x\right) }{dx}\right\vert _{x=g\left( f\left(
\boldsymbol{a}\right) \right) }\cdot \left. \frac{dg\left( x\right) }{dx}\right\vert _{x=f\left( \boldsymbol{a}\right) }\cdot \left. \frac{\partial
f\left( \boldsymbol{x}\right) }{\partial x_{k}}\right\vert _{\boldsymbol{x}=\boldsymbol{a}}
\end{eqnarray*}となる。

証明

プレミアム会員専用コンテンツです
ログイン】【会員登録

例(3つ以上の関数の合成関数の偏微分)
多変数関数と1変数関数\begin{eqnarray*}
f &:&\mathbb{R} ^{n}\supset X\rightarrow \mathbb{R} \\
g &:&\mathbb{R} \supset Y\rightarrow \mathbb{R} \\
h &:&\mathbb{R} \supset Z\rightarrow \mathbb{R} \end{eqnarray*}が与えられているものとします。\(f\left( X\right) \subset Y\)かつ\(g\left( Y\right) \subset Z\)が成り立つ場合には合成関数\begin{equation*}\left( h\circ g\circ f\right) \left( x\right) :\mathbb{R} ^{n}\supset X\rightarrow \mathbb{R} \end{equation*}が定義可能です。\(X\)は\(\mathbb{R} ^{n}\)上の開集合であり、\(Y,Z\)は\(\mathbb{R} \)上の開集合であるものとします。この場合、任意の点\(\boldsymbol{x}\in X\)は\(X\)の内点であり、点\(f\left( \boldsymbol{x}\right) \in Y\)は\(Y\)の内点であり、点\(g\left( f\left( \boldsymbol{x}\right)\right) \in Z\)は点\(Z\)の内点です。したがって、以下の3つの条件\begin{eqnarray*}&&\left( a\right) \ f\text{は}X\text{上において変数}x_{k}\text{に関して偏微分可能} \\
&&\left( b\right) \ g\text{は}Y\text{上において微分可能} \\
&&\left( c\right) \ h\text{は}Z\text{上において微分可能}
\end{eqnarray*}が成り立つ場合には、\(h\circ g\circ f\)もまた\(X\)上において変数\(x_{k}\)に関して偏微分可能であり、偏導関数\(\frac{\partial \left( h\circ g\circ f\right) }{\partial x_{k}}:\mathbb{R} ^{n}\supset X\rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(\boldsymbol{x}\in X\)に対して、\begin{equation*}\frac{\partial \left( h\circ g\circ f\right) \left( \boldsymbol{x}\right) }{\partial x_{k}}=\left. \frac{dh\left( z\right) }{dz}\right\vert _{x=g\left(
f\left( \boldsymbol{x}\right) \right) }\cdot \left. \frac{dg\left( y\right)
}{dy}\right\vert _{y=f\left( \boldsymbol{x}\right) }\cdot \frac{\partial
f\left( \boldsymbol{x}\right) }{\partial x_{k}}
\end{equation*}を定めます。

例(3つ以上の関数の合成関数の偏微分)
関数\(f:\mathbb{R} ^{n}\backslash \left\{ 0\right\} \rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(\boldsymbol{x}\in \mathbb{R} ^{n}\backslash \left\{ 0\right\} \)に対して、\begin{equation*}f\left( \boldsymbol{x}\right) =\frac{1}{\left\Vert \boldsymbol{x}\right\Vert
}
\end{equation*}を定めるものとします。ただし、\(\left\Vert \boldsymbol{x}\right\Vert \)は点\(\boldsymbol{x}\)のノルムであり、\begin{equation*}\left\Vert \boldsymbol{x}\right\Vert =\sqrt{\sum_{i=1}^{n}x_{i}^{2}}=\left(
\sum_{i=1}^{n}x_{i}^{2}\right) ^{\frac{1}{2}}
\end{equation*}と定義されるため、\begin{equation*}
f\left( \boldsymbol{x}\right) =\frac{1}{\left(
\sum_{i=1}^{n}x_{i}^{2}\right) ^{\frac{1}{2}}}
\end{equation*}という関係が成り立ちます。これは多変数の多項式関数\(\sum_{i=1}^{n}x_{i}^{2}\)と1変数の無理関数\(y^{\frac{1}{2}}\)と1変数の有理関数\(\frac{1}{z}\)の合成関数です。\(\boldsymbol{x}\in \mathbb{R} ^{n}\backslash \left\{ 0\right\} \)であることを踏まえると、\(\sum_{i=1}^{n}x_{i}^{2}\)は任意の変数\(x_{k}\)に関して偏微分可能であり、\(y^{\frac{1}{2}}\)は任意の点\(\sum_{i=1}^{n}x_{i}^{2}=\left\Vert \boldsymbol{x}\right\Vert ^{2}\)において微分可能であり、\(\frac{1}{z}\)は任意の点\(\left( \sum_{i=1}^{n}x_{i}^{2}\right) ^{\frac{1}{2}}=\left\Vert \boldsymbol{x}\right\Vert \)において微分可能であるため\(f\)は変数\(x_{k}\)に関して偏微分可能であり、偏導関数\(\frac{\partial f}{\partial x}:\mathbb{R} ^{n}\backslash \left\{ 0\right\} \rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(\boldsymbol{x}\in \mathbb{R} ^{n}\backslash \left\{ 0\right\} \)に対して、\begin{eqnarray*}\frac{\partial f\left( \boldsymbol{x}\right) }{\partial x_{k}} &=&\frac{\partial }{\partial x_{k}}\left( \frac{1}{\left\Vert \boldsymbol{x}\right\Vert }\right) \quad \because f\text{の定義} \\
&=&\frac{\partial }{\partial x_{k}}\left( \frac{1}{\left(
\sum_{i=1}^{n}x_{i}^{2}\right) ^{\frac{1}{2}}}\right) \quad \because \text{ノルムの定義} \\
&=&\left. \frac{d}{dz}\left( \frac{1}{z}\right) \right\vert _{z=\left\Vert
x\right\Vert }\cdot \left. \frac{d}{dy}y^{\frac{1}{2}}\right\vert
_{y=\left\Vert x\right\Vert ^{2}}\cdot \frac{\partial }{\partial x_{k}}\left( \sum_{i=1}^{n}x_{i}^{2}\right) \quad \because \text{合成関数の微分} \\
&=&\left. -\frac{1}{z^{2}}\right\vert _{z=\left\Vert \boldsymbol{x}\right\Vert }\cdot \left. \frac{1}{2}y^{-\frac{1}{2}}\right\vert
_{y=\left\Vert \boldsymbol{x}\right\Vert ^{2}}\cdot 2x_{k} \\
&=&-\frac{1}{\left\Vert \boldsymbol{x}\right\Vert ^{2}}\cdot \frac{1}{2}\left( \left\Vert \boldsymbol{x}\right\Vert ^{2}\right) ^{-\frac{1}{2}}\cdot
2x_{k}\quad \because \text{ノルムの定義}
\\
&=&-\frac{x_{k}}{\left\Vert \boldsymbol{x}\right\Vert ^{3}}
\end{eqnarray*}を定めます。

4つ以上の関数の合成関数の偏微分についても同様に考えます。また、勾配ベクトル場についても同様に考えます。

 

演習問題

問題(多変数関数と1変数関数の合成関数の偏微分)
関数\(f:\mathbb{R} ^{2}\rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(\left( x,y\right) \in \mathbb{R} ^{2}\)に対して、\begin{equation*}f\left( x,y\right) =e^{x^{2}+y^{3}}
\end{equation*}を定めるものとします。勾配ベクトル場\(\nabla f\)を求めてください。
解答を見る

プレミアム会員専用コンテンツです
ログイン】【会員登録

問題(多変数関数と1変数関数の合成関数の偏微分)
関数\(f:\mathbb{R} ^{2}\rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(\left( x,y\right) \in \mathbb{R} ^{2}\)に対して、\begin{equation*}f\left( x,y\right) =\cos \left( 3x^{2}+xy^{2}+y+1\right)
\end{equation*}を定めるものとします。勾配ベクトル場\(\nabla f\)を求めてください。
解答を見る

プレミアム会員専用コンテンツです
ログイン】【会員登録

問題(多変数関数と1変数関数の合成関数の偏微分)
関数\(f:\mathbb{R} ^{2}\rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(\left( x,y\right) \in \mathbb{R} ^{2}\)に対して、\begin{equation*}f\left( x,y\right) =\ln \left( x^{2}+y^{4}+1\right)
\end{equation*}を定めるものとします。勾配ベクトル場\(\nabla f\)を求めてください。
解答を見る

プレミアム会員専用コンテンツです
ログイン】【会員登録

問題(多変数関数と1変数関数の合成関数の偏微分)
関数\(f:\mathbb{R} ^{2}\rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(\left( x,y\right) \in \mathbb{R} ^{2}\)に対して、\begin{equation*}f\left( x,y\right) =\left( x^{2}+y^{4}+1\right) ^{\pi }
\end{equation*}を定めるものとします。勾配ベクトル場\(\nabla f\)を求めてください。
解答を見る

プレミアム会員専用コンテンツです
ログイン】【会員登録

問題(多変数関数と1変数関数の合成関数の偏微分)
関数\(f:\mathbb{R} ^{2}\rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(\left( x,y\right) \in \mathbb{R} ^{2}\)に対して、\begin{equation*}f\left( x,y\right) =\left\vert x^{2}+y^{2}+1\right\vert
\end{equation*}を定めるものとします。勾配ベクトル場\(\nabla f\)を求めてください。
解答を見る

プレミアム会員専用コンテンツです
ログイン】【会員登録

問題(多変数関数と1変数関数の合成関数の偏微分)
関数\(f:\mathbb{R} ^{2}\rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(\left( x,y\right) \in \mathbb{R} ^{2}\)に対して、\begin{equation*}f\left( x,y\right) =\left\vert \ln \left( x^{2}+y^{2}+2\right) \right\vert
\end{equation*}を定めるものとします。勾配ベクトル場\(\nabla f\)を求めてください。
解答を見る

プレミアム会員専用コンテンツです
ログイン】【会員登録

関連知識

Mailで保存
Xで共有

質問とコメント

プレミアム会員専用コンテンツです

会員登録

有料のプレミアム会員であれば、質問やコメントの投稿と閲覧、プレミアムコンテンツ(命題の証明や演習問題とその解答)へのアクセスなどが可能になります。

ワイズのユーザーは年齢・性別・学歴・社会的立場などとは関係なく「学ぶ人」として対等であり、お互いを人格として尊重することが求められます。ユーザーが快適かつ安心して「学ぶ」ことに集中できる環境を整備するため、広告やスパム投稿、他のユーザーを貶めたり威圧する発言、学んでいる内容とは関係のない不毛な議論などはブロックすることになっています。詳細はガイドラインをご覧ください。

誤字脱字、リンク切れ、内容の誤りを発見した場合にはコメントに投稿するのではなく、以下のフォームからご連絡をお願い致します。

プレミアム会員専用コンテンツです
ログイン】【会員登録