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多変数のベクトル値関数

多変数のベクトル値関数と多変数関数の合成関数

目次

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多変数のベクトル値関数と多変数関数の合成関数

多変数のベクトル値関数\(f:\mathbb{R} ^{n}\supset X\rightarrow \mathbb{R} ^{m}\)の値域が多変数の実数値関数\(g:\mathbb{R} ^{m}\supset Y\rightarrow \mathbb{R} \)の定義域の部分集合であるものとします。つまり、\begin{equation*}f\left( X\right) \subset Y
\end{equation*}すなわち、\begin{equation*}
\forall x\in X:f\left( x\right) \in Y
\end{equation*}が成り立つということです。多変数のベクトル値関数\(f\)はそれぞれのベクトル\(x\in X\)に対してベクトル\begin{equation*}f\left( x\right) =\left( f_{1}\left( x_{1},\cdots ,x_{n}\right) ,\cdots
,f_{m}\left( x_{1},\cdots ,x_{n}\right) \right) \in \mathbb{R} ^{m}
\end{equation*}を定めます。ただし、\(f_{i}:\mathbb{R} \supset X\rightarrow \mathbb{R} \ \left( i=1,\cdots ,m\right) \)は\(f\)の成分関数です。先の条件のもとではこの点\(f\left( x\right) \)は多変数関数\(g\)の定義域\(Y\)の要素であることが保証されるため、\(g\)はこの点\(f\left( x\right) \)に対して実数\begin{equation*}g\left( f\left( x\right) \right) =g\left( f_{1}\left( x_{1},\cdots
,x_{n}\right) ,\cdots ,f_{m}\left( x_{1},\cdots ,x_{n}\right) \right) \in \mathbb{R} \end{equation*}を定めます。このような事情を踏まえると、先の条件が満たされる場合、それぞれのベクトル\(x\in X\)に対して実数\(g\left( f\left( x\right) \right) \in \mathbb{R} \)を値として定める多変数の実数値関数が定義可能です。この関数を、\begin{equation*}g\circ f:\mathbb{R} ^{n}\supset X\rightarrow \mathbb{R} \end{equation*}で表記し、\(f\)と\(g\)の合成関数(composite function)と呼びます。定義より、合成関数\(g\circ f:\mathbb{R} ^{n}\supset X\rightarrow \mathbb{R} \)がそれぞれの\(x\in X\)に対して定める値は、\begin{equation*}\left( g\circ f\right) \left( x\right) =g\left( f\left( x\right) \right)
=g\left( f_{1}\left( x_{1},\cdots ,x_{n}\right) ,\cdots ,f_{m}\left(
x_{1},\cdots ,x_{n}\right) \right) \in \mathbb{R} \end{equation*}という実数です。

例(多変数のベクトル値関数と多変数関数の合成関数)
関数\(f:\mathbb{R} ^{2}\rightarrow \mathbb{R} ^{2}\)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+y,x-y\right)
\end{equation*}を定め、関数\(g:\mathbb{R} ^{2}\rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(\left( x,y\right) \in \mathbb{R} ^{2}\)に対して、\begin{equation*}g\left( x,y\right) =xy
\end{equation*}を定めるものとします。\(f\)の値域は明らかに\(g\)の定義域の部分集合であるため合成関数\(g\circ f:\mathbb{R} ^{2}\rightarrow \mathbb{R} \)が定義可能であり、これはそれぞれの\(\left(x,y\right) \in \mathbb{R} ^{2}\)に対して、\begin{eqnarray*}\left( g\circ f\right) \left( x,y\right) &=&g\left( f\left( x,y\right)
\right) \quad \because \text{合成関数の定義} \\
&=&g\left( x+y,x-y\right) \quad \because f\text{の定義} \\
&=&\left( x+y\right) \left( x-y\right) \quad \because g\text{の定義}
\end{eqnarray*}を定めます。

例(多変数のベクトル値関数と多変数関数の合成関数)
平面上のそれぞれの点\(\left( x,y\right) \in \mathbb{R} ^{2}\)に作用する力が、点\(\left( x,y\right) \)を始点とするベクトル\begin{equation*}f\left( x,y\right) =\left( -y,3x\right) \in \mathbb{R} ^{2}
\end{equation*}として記述されているものとします。ただし、ベクトル\(f\left( x,y\right) \)の向きは力が作用する方向に、\(f\left( x,y\right) \)の長さは力の大きさにそれぞれ対応しています。関数\(g:\mathbb{R} ^{2}\rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれのベクトル\(\left( x,y\right) \in \mathbb{R} ^{2}\)に対して、そのノルム\begin{equation*}g\left( x,y\right) =\sqrt{x^{2}+y^{2}}
\end{equation*}を定めるものとします。関数\(f:\mathbb{R} ^{2}\rightarrow \mathbb{R} ^{2}\)の値域は明らかに関数\(g\)の定義域の部分集合であるため合成関数\(g\circ f:\mathbb{R} ^{2}\rightarrow \mathbb{R} \)が定義可能であり、これはそれぞれの\(\left(x,y\right) \in \mathbb{R} ^{2}\)に対して、\begin{eqnarray*}\left( g\circ f\right) \left( x,y\right) &=&g\left( f\left( x,y\right)
\right) \quad \because \text{合成関数の定義} \\
&=&g\left( -y,3x\right) \quad \because f\text{の定義} \\
&=&\sqrt{\left( -y\right) ^{2}+\left( 3x\right) ^{2}}\quad \because g\text{の定義} \\
&=&\sqrt{y^{2}+9x^{2}}
\end{eqnarray*}を定めます。つまり、合成関数\(g\circ f\)は点\(\left(x,y\right) \)に作用する力の大きさを特定する関数です。

 

合成関数の定義域

繰り返しになりますが、多変数のベクトル値関数\(f:\mathbb{R} ^{n}\supset X\rightarrow \mathbb{R} ^{m}\)の値域が多変数の実数値関数\(g:\mathbb{R} ^{m}\supset Y\rightarrow \mathbb{R} \)の定義域の部分集合である場合には、つまり、\begin{equation*}f\left( X\right) \subset Y
\end{equation*}すなわち、\begin{equation*}
\forall x\in X:f\left( x\right) \in Y
\end{equation*}が成り立つ場合には合成関数\(g\circ f:\mathbb{R} ^{n}\supset X\rightarrow \mathbb{R} \)が定義可能です。一方、上の条件が成り立たない場合には、すなわち、\begin{equation*}\exists x\in X:f\left( x\right) \not\in Y
\end{equation*}が成り立つ場合、関数\(g\)はそもそも上の点\(f\left( x\right) \)において定義されていないため\(g\left( f\left(x\right) \right) \)は定義不可能であり、したがって合成関数\(g\circ f\)は定義不可能です。以上を踏まえると、合成関数\(g\circ f\)の定義域は\(f\left( x\right) \in Y\)を満たすような点\(x\in X\)からなる集合\begin{eqnarray*}D\left( g\circ f\right) &=&\left\{ x\in X\ |\ f\left( x\right) \in
Y\right\} \\
&=&\left\{ \left( x_{1},\cdots ,x_{n}\right) \in X\ |\ f\left( x_{1},\cdots
,x_{n}\right) \in Y\right\}
\end{eqnarray*}となります。

例(合成関数の定義域)
関数\(f:\mathbb{R} ^{2}\rightarrow \mathbb{R} ^{2}\)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+y,x-y\right)
\end{equation*}を定め、関数\(g:\mathbb{R} ^{2}\supset X\rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(\left( x,y\right) \in X\)に対して、\begin{equation*}g\left( x,y\right) =\frac{1}{xy}
\end{equation*}を定めるものとします。\(g\)の定義域が、\begin{equation*}X=\left\{ \left( x,y\right) \in \mathbb{R} ^{2}\ |\ xy\not=0\right\}
\end{equation*}であることを踏まえると、合成関数\(g\circ f\)の定義域は、\begin{eqnarray*}D\left( g\circ f\right) &=&\left\{ \left( x,y\right) \in \mathbb{R} ^{2}\ |\ f\left( x,y\right) \in X\right\} \\
&=&\left\{ \left( x,y\right) \in \mathbb{R} ^{2}\ |\ \left( x+y,x-y\right) \in X\right\} \quad \because f\text{の定義} \\
&=&\left\{ \left( x,y\right) \in \mathbb{R} ^{2}\ |\ \left( x+y\right) \left( x-y\right) \not=0\right\}
\end{eqnarray*}となります。さらに、この合成関数\(g\circ f:D\left(g\circ f\right) \rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(\left( x,y\right) \in D\left( g\circ f\right) \)に対して、\begin{eqnarray*}\left( g\circ f\right) \left( x,y\right) &=&g\left( f\left( x,y\right)
\right) \quad \because \text{合成関数の定義} \\
&=&g\left( x+y,x-y\right) \quad \because f\text{の定義} \\
&=&\frac{1}{\left( x+y\right) \left( x-y\right) }\quad \because g\text{の定義}
\end{eqnarray*}を定めます。

 

演習問題

問題(合成関数)
関数\(f:\mathbb{R} ^{2}\rightarrow \mathbb{R} ^{2}\)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+1,y+1\right)
\end{equation*}を定め、関数\(g:\mathbb{R} ^{2}\supset X\rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(\left( x,y\right) \in X\)に対して、\begin{equation*}g\left( x,y\right) =\frac{1}{x+y}
\end{equation*}を定めるものとします。ただし、\begin{equation*}
X=\left\{ \left( x,y\right) \in \mathbb{R} ^{2}\ |\ x+y\not=0\right\}
\end{equation*}です。合成関数\(g\circ f\)とその定義域を特定してください。
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問題(合成関数)
関数\(f:\mathbb{R} ^{3}\rightarrow \mathbb{R} ^{3}\)はそれぞれの\(\left( x,y,z\right)\in \mathbb{R} ^{3}\)に対して、\begin{equation*}f\left( x,y,z\right) =\left( y,x,z^{2}\right)
\end{equation*}を定め、関数\(g:\mathbb{R} ^{3}\supset X\rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(\left( x,y,z\right) \in X\)に対して、\begin{equation*}g\left( x,y,z\right) =\ln \left( x+y+z\right)
\end{equation*}を定めるものとします。ただし、\begin{equation*}
X=\left\{ \left( x,y,z\right) \in \mathbb{R} ^{3}\ |\ x+y+z>0\right\}
\end{equation*}です。合成関数\(g\circ f\)とその定義域を特定してください。
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関連知識

合成関数

関数 f の値域が関数 g の定義域の部分集合である場合には、f の定義域のそれぞれの値