定理: 合成関数の微分公式 chain rule 

 y = f (x)がx=x0で微分可能で、z = g ( y )が y0 = f ( x0 ) で微分可能ならば、
 合成関数z=g ( f (x) )はx=x0で微分可能となり、微分係数はg' ( f ( x0 ) ) f ' (x0)で与えられる。
 このことは、dz/dx = dz/dy・dy/dx とかくことができる。

※図解:ここでの想定
   
※簡単な適用例: y=(2x+3)5 の微分
   y=(2x+3)5 は、     
    z=g(y)=y5, y =f(x)=2x+3の合成関数z=g ( f (x) )。 
     g'(y)=5y4 、f ' (x)=2  だから、  
    z ' = g' ( f ( x ) ) f ' (x)=5(2x+3)4・2=10(2x+3)4  


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合成関数の微分公式の証明

→直感系/厳密系 

(証明1−直感系)

 xの増分��xに対するyの増分{ f ( x +��x)−f (x)}を��y、
 yの増分��yに対するzの増分{ g ( y +��y )−f (y )}を��zとする。

(準備作業)

��z/��x =(��z /��x )・(��y/��y)      ∵��y/��y=1 
    =(��z /��y)・(��y/��x )   …�@
��x→0なら、��y→0           …�A
(本題)
      ∵�@
            ∵関数の積の極限値 
           ∵�A
         ∵微分係数の定義

(以上をフォーマルな定義に忠実なかたちに書き直すと)



 【文献】

 ・『高等学校微分積分』p.53
 ・高橋『経済学とファイナンスのための数学』p.53.


(仮定の整理) 
・「y = f (x)がx=x0で微分可能」とはすなわち、
         …�@     
      が存在するということ。   
・「z = g ( y )が y0 = f ( x0 ) で微分可能」とはすなわち、
           …�A     
      が存在するということ。   
・y0 = f ( x0 )  …�B
・x→x0なら、y→y0  …�C  
        なぜなら、
        「y = f (x) が x=x0で微分可能」だから、y = f (x) はx=x0で連続。   ∵連続と微分可能性の関係についての定理   
        つまり、
        
        y = f (x) という定義と�Bをこれに代入して以下のように書き換えても同じ。
        
        つまり、x→x0なら、y→y0  
      
以下、h:x→z と置く。  
    つまり、z=h(x) = g ( f (x) )
(本題)
x0における h (x) = g ( f (x) )の微分係数:
 h ' (x)      
       ∵微分係数の定義  
   ∵(y−y0)/(y−y0)=1   
   ∵関数の積の極限値 
   ∵h (x)= g ( f (x) ) 
   ∵ y = f (x) という定義と�B 
   ∵�C 
 =g' ( y0 ) f '( x0 )  ∵�@�A 
 =g' ( f ( x0 ) ) f ' ( x0 )  ∵�@�A 


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(証明2−厳密系)


  I.
   xの増分��xに対するyの増分{ f ( x +��x )−f ( x )}を��y、 …�@
   このyの増分��yに対応するzの増分 { g ( y +��y )− f ( y )}を ��z と置く。

  II.
   y = f (x)がx = x0で微分可能であるので、微分可能性の必要十分条件についての定理より、
   ��y=f' ( x 0 )��x+ε1��x          …�A
   とおくと、��x→0のとき、ε1→0。    …�B

  III.
   z = g (y) が y= y0 = f (  x0 ) で微分可能であるので、微分可能性の必要十分条件についての定理より、 
   ��z = g' ( y0 )��y + ε2�凉          …�C
   とおくと、��y→0のとき、ε2→0。    …�D

  IV
   ��x→0のとき、��y→0   ∵�@ 
       ゆえに�Dより、ε2→0。      …�F
  V.
   �Aを�Cへ代入して、
     ��z=g' ( y0 ) ( f' ( x 0 )��x+ε1��x )+ε2 ( f' ( x 0 )��x+ε1��x )   
      = g' ( y0 ) f' ( x 0 )��x + g' ( y0 )ε1��x+ε2 f' ( x 0 )��x+ε2ε1��x
      = g' ( y0 ) f' ( x 0 )��x+ ( g' ( y0 )ε1+ε2 f' ( x 0 )+ε2ε1 )��x 
   ここで、ε=g' ( y0 )ε1+ε2 f' ( x 0 )+ε2ε1とおくと、
    ��z=g' ( y0 ) f' ( x 0 )��x+ε��x      …�G
   �B�Fより、��x→0のとき、ε→0となる。    
   「合成関数 z=g ( f (x) )について、�Gと書くときに、
    ��x→0のとき、ε→0となる」
   ということは、
   微分可能性の必要十分条件についての定理より、
   「合成関数 z=g ( f (x) )は、x 0で微分可能であり、    
    そこでの微分係数がg' ( y0 ) f' ( x 0 )である」
   ということを意味している。



 【文献】

 ・吹田・新保『理工系の微分積分学』pp.38-39.
 ・矢野・田代『社会科学者のための基礎数学』p.82. 



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