2変数関数の全微分可能・微分係数の定義:トピック一覧  

 ・1点における全微分可能性・微分係数の定義:原意/数式表現1/数式表現2/数式表現3/数式表現4 
 ・
1点における全微分可能性と偏微分可能性:全微分可能ならば偏微分可能/微分係数は勾配ベクトルに等しい/全微分可能と方向微分/接平面の方程式 
 ・1点における全微分可能性と連続性:全微分可能なら連続
 
・全微分可能の十分条件
 ・全微分total differential  

 ※関連ページ
 ・
2変数関数の微分定義:偏微分/高次の偏微分/方向微分/微分演算子/2階全微分/高階全微分 
 ・
2変数関数微分の応用:合成関数の微分/平均値定理・テイラーの定理/極値問題/陰関数定理/逆関数定理/ラグランジュ未定乗数法
 ・微分以外の
2変数関数の概念:2変数関数の諸属性/極限/連続/極限の性質/偏微分/方向微分/矩形上の積分/点集合上の積分
 ・2変数関数以外の全微分定義:1変数関数の微分 / n変数関数の全微分/ n変数ベクトル値関数の全微分  
→参考文献・総目次

定義:2変数関数の点x0で微分可能differentiable・点x0における微分係数・導値differential coefficient 


図解

y=20-x2-4y2 の
x= y= における
接平面・微分係数を

2変数関数 y=20-x2-4y2 が点(, )で(全微)分可能とは、
y=20-x2-4y2 のグラフに、
点(, )で接する接平面を描けることをいう。
この接平面の傾きは、
x軸方向に+1進んだとき、接平面がz軸方向にどれだけ増減するか、
y軸方向に+1進んだとき、接平面がz軸方向にどれだけ増減するか、
の二点から把握できる。
この「点(, )で接する接平面」 の傾きを表す値の組を、
y=20-x2-4y2 の 点(, )における微分係数と呼ぶ。

[java script1.1を使用]

 




直感的な
定義


[直感的な定義]

「z=f (x,y )は点 (x0,y0)で微分可能・全微分可能」とは、
 
z=f (x,y )が表す曲面{(x, y, z ) | z=f (x,y ) }に点(x0,y0, f (x0,y0 ))で接する平面 
    
{(x, y, z ) | z= A (x−x0 )+ B (y−y0 ) +f ( x0,y0 ) } 
 を定められることをいい、
 この接平面の
法線ベクトル(A,B,1)の
 第
1・第2成分からなる2次元数ベクトル(A,B)を、
 「
点 (x0,y0)におけるf (x,y )の導値・微分係数」と呼ぶ。 
 つまり、
 「
点 (x0,y0)におけるf (x,y )の導値・微分係数」とは、
 ・
z=f (x,y )が表す曲面に点(x0,y0, f (x0,y0 ))で接する平面のx軸方向への傾き
 と
 ・
z=f (x,y )が表す曲面に点(x0,y0, f (x0,y0 ))で接する平面のy軸方向への傾き
 との組  
 のことである。
※微分係数(A,B)は勾配ベクトルに等しくなる[→定理]  
※z= A (x−x0 )+ B (y−y0 ) +f ( x0,y0 )で表せない接平面も存在しうる。
 それは、どういうときかというと…。
    
点 (x0,y0)で接するあらゆる平面は、
     
{(x, y, z ) | r(x- x0)+s(y- y0)+t (z- f ( x0,y0 ))=0}  
    で表せる。
    
t≠0ならば、
     
平面の方程式r(x- x0)+s(y- y0)+t (z- f ( x0,y0 ))=0について、
     両辺を
tで割って
      
(r/t) (x- x0)+(s/t) (y- y0)+ z- f ( x0,y0 )=0  
     移項して、
      
z =−(r/t) (x- x0)−(s/t) (y- y0)+f ( x0,y0 ) 
     とできるので、
     この
平面を、z= A (x−x0 )+ B (y−y0 ) +f ( x0,y0 )のかたちで表せ、
     この
平面の法線ベクトルを(A,B,1)かたちで表せる。
    ところが、
    
t=0ならば、  
    
平面の方程式r(x- x0)+s(y- y0)+t (z- f ( x0,y0 ))=0は、
    
r(x- x0)+s(y- y0) =0 
    となってしまい、
zが消去されてしまうので、
    
z= A (x−x0 )+ B (y−y0 ) +f ( x0,y0 )のかたちに変形しようがない。


[文献−数学]
・高木『解析概論』p. 55 ;
・吹田新保『理工系の微分積分学』6章§3�U(p.164) :2変数関数;
・小形『多変数の微分積分』pp. 46-50:2変数関数。ここでの説明とは別の説明。
・志賀『
解析入門30講』25講(pp.193-5) :2変数関数;
・高橋『微分と積分2』§3.2 (p.71): 2変数関数;
・笠原『
微分積分学』定義2.1(p.38);命題2.2(p.39)定義5.1(p.153):2変数関数
・杉浦『
解析入門』�U§5定義1 (p.120):n変数実関数;
・杉浦『
解析演習』�U章§2-2.2(p. 88-9) :n変数実関数
・『
岩波数学辞典』333G全微分(p.985);
・黒田『微分積分学』8.3.2定義8.9(pp.285) :n変数実関数.
・Lang,Undergraduate Analysis,15-§2(pp.321-2);
・ルディン『現代解析学』9.10(p.207) :n変数ベクトル値関数.
・清野「多変数関数の微分」第5回(東京大学07 年度全学自由研究ゼミナール)


[文献−数理経済学]
・岡田『
経済学・経営学のための数学』1.6(p.44):2変数関数
・
de la Fuente, Mathematical Methods and Models for Economists, PartI-4-3 (p.170) :n変数ベクトル値関数.
・入谷久我『数理経済学入門』定義5.10(p.131) :n変数実関数.
・原・梶井『経済学のための数学』1.3.3全微分(p.10).

 
 

 このように、
 
法線ベクトルの第三成分が0となる接平面(z軸に平行な接平面)は、
 
z= A (x−x0 )+ B (y−y0 ) +f ( x0,y0 )で表せない。  
 ここでは、このような接
平面を接平面から除外して、
 
z= A (x− x0 )+ B (y−y0 ) +f ( x0,y0 )で表せる接平面のみを接平面と呼び、
 
z= A (x− x0 )+ B (y−y0 ) +f ( x0,y0 )で表せる接平面が定まることを、
 
微分可能と呼ぶ。
  
[→杉浦『解析入門』例12 (p.86)]

[一般化]
・
2変数関数の(全)微分可能
・
多変数関数の(全)微分可能
・
ベクトル値関数の(全)微分可能


厳密な
定義


「
z=f (x,y )は点P0=(x0,y0)で(全)微分可能で、点P0=(x0,y0)における微分係数は(A, B)である」
ということの定義は、
厳密には、次の数式で与えられる。
 ※ 
表現1・表現2・表現3・表現4 はどれも同じ。
 ※ これらの定義は、
1変数関数の微分定義2を、2変数関数へ拡張したもの。

[表現1a−ベクトル演算・増分を用いずに]

           
「
z=f (x,y )は点(x0,y0)で(全)微分可能で、点(x0,y0)における微分係数は(A, B)である」とは、
「定
点(x0,y0)に対して、ある一定の実数A,Bが存在して、
  どの方向からであれ、いかなる経路を通ってであれ、定
点(x0,y0)へ近づく動点(x,y)は、 
   
{ f ( x,y )−(A(x−x0) + B (y−y0 ) + f ( x0,y0 ) )}/d ( (x,y), (x0,y0) ) →0 ( (x,y)→(x0,y0) )
 を満たす」
ということ。
ランダウの記号を用いて表すと、
「
点(x0,y0)に対して、ある一定の実数A,Bが存在して、 
  どの方向からであれ、いかなる経路を通ってであれ、定
点(x0,y0)へ近づく動点(x,y)は、 
  
f ( x,y )−( A(x−x0) + B (y−y0 ) + f ( x0,y0 ) )=o ( d ( (x,y), (x0,y0) ) ) ( (x,y)→(x0,y0) ) 
 を満たす」
となる。

 
* d ( (x,y), (x0,y0) ) は、
   
点(x,y)から点(x0,y0)へのユークリッド距離{ (x−x0)2+(y−y0)2}1/2
  を表す。  


[文献]
笠原『
微分積分学』定義5.1(p.153);
高橋『微分と積分2』§3.2 (p.71)

※微分係数(A,B)は勾配ベクトルに等しくなる[→定理]

 * この微分可能の定義は、
  
点( x0 , y0 )に対して、ある一定の実数A,Bが存在して、
  「
点(x,y)を点(x0,y0)に近づけたときの、
    
点(x,y)における《点(x0, y0, f ( x0,y0 ) )を通って、(A,B,1)を法線ベクトルとする平面A(x−x0) + B (y−y0 ) + f ( x0,y0 )》と《y= f ( x,y )》との誤差
        
f ( x,y )−(A(x−x0) + B (y−y0 ) + f ( x0,y0 ) )   
    が
0に近づくスピードは、
       
d ( (x,y), (x0,y0) ) が0に近づくスピードよりも、速くなる」
   ということを意味し、
   
ランダウの記号を用いて表すと、
     「
点(x0,y0)に対して、ある一定の実数A,Bが存在して、 
         
f ( x,y )−( A(x−x0) + B (y−y0 ) + f ( x0,y0 ) )=o ( d ( (x,y), (x0,y0) ) )  ( (x,y)→(x0,y0) ) 
      を満たす」
   と表せる。

[表現1 b−ベクトル演算を用いずに・増分を用いて]


「
z=f (x,y )は点(x0,y0)で(全)微分可能で、点(x0,y0)における微分係数は(A, B)である」とは、
「
点(x0,y0)に対して、ある一定の実数A,Bが存在して、
  どの方向からであれ、いかなる経路を通ってであれ、定
点(x0,y0)へ近づく動点(x0+Δx, y0+Δy)は、 
   
{ f ( x0+Δx, y0+Δy )−(AΔx + BΔy + f ( x0,y0 ) )}/ ‖(Δx,Δy)‖ →0 ( (Δx,Δy) →(0,0) )
 を満たす」
ということ。
 
* ‖(Δx,Δy)‖ は、(Δx,Δy)のユークリッドノルム{ (Δx)2+(Δy)2}1/2 を表す。
  これは、
点(x0+Δx, y0+Δy)から点(x0,y0)へのユークリッド距離
       
d ( (x0+Δx, y0+Δy), (x0,y0) ) ={ (x0+Δx−x0)2+(y0+Δy−y0)2}1/2
  に等しい。  


[文献]
入谷久我『数理経済学入門』定義5.10(p.131) :n変数実関数.

※微分係数(A,B)は勾配ベクトルに等しくなる[→定理]

 * この微分可能の定義は、
  
点( x0 , y0 )に対して、ある一定の実数A,Bが存在して、
  「『
点(x0,y0)からの増分』(Δx,Δy)を(0,0)に近づけたときの、
    
点(x0+Δx, y0+Δy)における《点(x0, y0, f ( x0,y0 ) )を通って、(A,B,1)を法線ベクトルとする平面A(x−x0) + B (y−y0 ) + f ( x0,y0 )》と《y= f ( x,y )》との誤差
      
f ( x0+Δx, y0+Δy )−(A(x0+Δx−x0) + B (y0+Δy−y0 ) + f ( x0,y0 ) )=f ( x0+Δx, y0+Δy )−(AΔx + BΔy + f ( x0,y0 ) )  
    が
0に近づくスピードは、
       
‖(Δx,Δy)‖ が0に近づくスピードよりも、速くなる」
   ということを意味し、
   
ランダウの記号を用いて表すと、
     「
点(x0,y0)に対して、ある一定の実数A,Bが存在して、 
         
f ( x0+Δx, y0+Δy )−( AΔx + BΔy + f ( x0,y0 ) )=o ( ‖(Δx,Δy)‖ )  ( (Δx,Δy) →(0,0) ) 
      を満たす」
   と表せる。

[表現1 c−ベクトル演算を用いて]


「
z=f (x)は実2次元数ベクトルx 0で(全)微分可能で、x0における微分係数はaである」とは、
 「
x0に対して、ある一定の実2次元数ベクトルaが存在して、
  どの方向からであれ、いかなる経路を通ってであれ、定
点x0近づく動点x0+hは、 
   
{ f ( x0+h )−(a・h + f (x0) )}/‖h‖ →0 (h→0 )
  を満たす」 
ということ。
あるいは、
「
z=f (x)は実2次元縦ベクトルx 0で(全)微分可能で、x0における微分係数は実2次元横ベクトルaである」とは、
 「
実2次元縦ベクトルx0に対して、ある一定の実2次元横ベクトルaが存在して、
  
実2次元縦ベクトルhを、h→0 とすると、 
   
{ f ( x0+h )−(ah+ f (x0) )}/‖h‖ →0 
  が満たされる」 
ということ。
 
* a・hは、aとhとの内積を表す。
  
ahは、実2次元横ベクトルaと実2次元縦ベクトルhとの行列積を表す。
  (どちらも、結果は同じとなる) 

  +は、実2次元数ベクトル空間に定められているベクトル和を表す。
  −は、実数体に定義されている引き算を表す。
  
0は2次元零ベクトルを表し、0は実数の0を表す。
 
* ‖h‖ は、hのユークリッドノルムを表す。
  これは、
x0+hからx0へのユークリッド距離
       
d ( x0+h, x0 ) =‖(x0+h)−x0‖
  に等しい。  
 
* この微分可能の定義は、前述の表現1bを、以下の要領でベクトルを使って表現しなおしたもの。
    ・
点(x0,y0)      → 実2次元縦ベクトルx 0    
    ・実数
A,B      → 実2次元横ベクトルa  
    ・増分
(Δx,Δy)    → 実2次元縦ベクトルh  
    ・
点(x0+Δx, y0+Δy)  → 実2次元縦ベクトルx0+h  
    ・AΔx + BΔy     → 内積a・h または、行列積ah 
  だから、この定義が意味するところは、表現
1bとなんら変わらない。 


[文献]
杉浦『
解析入門』�U§5 定義1(5.4)(p.120)

[表現2a−ベクトル演算・増分を用いずに]


「
z=f (x,y )は点(x0,y0)で(全)微分可能で、点(x0,y0)における微分係数は(A, B)である」とは、
  「
点(x0,y0) に対して、ある一定の実数A,Bが存在して、 
   どの方向からであれ、いかなる経路を通ってであれ、定
点(x0,y0)に近づく動点(x,y)は、 
     
f (x,y ) = f ( x0,y0 ) + A(x−x0) + B (y−y0 ) + o ( d ( (x,y), (x0,y0) ) )  ( (x,y)→(x0,y0) ) 
  を満たす」
ということ。

*
 恒等的に、
   
f ( x,y )={ f ( x0,y0 ) + A(x−x0) + B (y−y0 ) }+{f ( x,y )−( A(x−x0) + B (y−y0 ) + f ( x0,y0 ) )}
  だから、
   
[微分可能定義の表現1a]
    「点(x0,y0) に対して、ある一定の実数A,Bが存在して、 
       
f (x,y ) = f ( x0,y0 ) + A(x−x0) + B (y−y0 ) + o ( d ( (x,y), (x0,y0) ) )  ( (x,y)→(x0,y0) ) 
     を満たす」
    が成立するならば、表現
2 aも成立(恒等式最右辺に表現1を代入するかたち)。
    逆に、表現
2 aが成立するならば、表現2の右辺1項2項を左辺に移項すれば、
       表現1
aの成立がわかる。  


[文献]
 笠原『
微分積分学』定義5.1(p.153);
 杉浦『解析演習』�U章§2-2.2(p. 89);
 黒田『微分積分学』8.3.2定義8.9(pp.285)
 小平『解析入門�U』§6.2-b(p.267):2変数関数; 
 加古『自然科学の基礎としての微積分』定義6.4注意1(pp.93-4):n変数関数;


※微分係数(A,B)は勾配ベクトルに等しくなる[→定理]

[表現3a−ベクトル演算・増分を用いずに]


「
z=f (x,y )は点(x0,y0)で(全)微分可能で、点(x0,y0)における微分係数は(A, B)である」とは、
「
点(x0,y0)に対して、ある一定の実数A,Bが存在して、
   どの方向からであれ、いかなる経路を通ってであれ、定
点(x0,y0)に近づく動点(x,y)は、 
   
f ( x,y )−f ( x0,y0 )=A(x−x0) + B (y−y0 ) + o ( d ( (x,y), (x0,y0) ) ) ( (x,y) → (x0,y0) ) 
 を満たす」
ということ。
 
* ランダウの記号o ( d ( (x,y), (x0,y0) ) )は、
       「
x,yの関数」のうち、 
         
(x,y) → (x0,y0)としたときに、
           「
d ( (x,y), (x0,y0) )が0に近づくよりも速いスピードで0に近づく」
       ものを表す。
 


[文献]
岡田『
経済学・経営学のための数学』1.6(p.44):2変数関数



※微分係数(A,B)は勾配ベクトルに等しくなる[→定理]

 

[表現3b−ベクトル演算を用いずに、増分を用いて]

 


 「
z=f (x,y )は点P=(x0,y0)で(全)微分可能で、点P=(x0,y0)における微分係数は(A, B)である」とは、
  「
点(x0,y0)に対して、ある一定の実数A,Bが存在して、 
    どの方向からであれ、いかなる経路を通ってであれ、定
点(x0,y0)に近づく動点(x0+Δx , y0+Δy)は、 
      Δ
z=f ( x0+Δx , y0+Δy )−f ( x0, y0 )=AΔx+ BΔy + o ( ‖(Δx,Δy)‖ ) ( (Δx,Δy)→(0,0) ) 
    を満たす」
  ということ。
  
* これは、 
   「
点(x0,y0)に対して、ある一定の実数A,Bが存在して、 
     『
xをx0から「無限小の増分Δx」だけ増やし、yをy0から「無限小の増分Δy」だけ増やしたときの、f (x,y )の値の増分
         Δ
z=f ( x0+Δx , y0+Δy )−f ( x0, y0 )
      を、
      (「
無限小の増分Δx」の実数A倍)+(「無限小の増分Δy」の実数B倍)+(「無限小の増分(Δx,Δy)のノルム」より高次の無限小)
      として表せる』
    ということ」
   を意味する。
 
* ランダウの記号o ( ‖(Δx,Δy)‖ )は、
       「Δ
x,Δyの関数」のうち、 
         
(Δx,Δy)→(0,0)としたときに、
           「
‖(Δx,Δy)‖が0に近づくよりも速いスピードで0に近づく」
       ものを表す。


[文献]
・『
岩波数学辞典』333G全微分(p.985):n変数関数.
・志賀『解析入門30講』25講(pp.193-5) :2変数関数;



※微分係数(A,B)は勾配ベクトルに等しくなる[→定理]

[表現3c−ベクトル演算を用いて]


「
z=f (x)は実2次元数ベクトルx 0で(全)微分可能で、x0における微分係数はaである」とは、
 「
x0に対して、ある一定の実2次元数ベクトルaが存在して、
   どの方向からであれ、いかなる経路を通ってであれ、定
点x0近づく動点x0+hは、 
     Δ
y=f ( x0+h )−f (x0)=a・h + o ( ‖h‖ ) ( h → 0 ) 
  を満たす」 
ということ。
あるいは、
「
z=f (x)は実2次元縦ベクトルx 0で(全)微分可能で、x0における微分係数は実2次元横ベクトルaである」とは、
 「
実2次元縦ベクトルx0に対して、ある一定の実2次元横ベクトルaが存在して、
  
実2次元縦ベクトルhを、h→0 とすると、 
     
f ( x0+h )−f (x0)=ah+ o ( ‖h‖ ) ( h → 0 ) 
  が満たされる」 
ということ。
 
* a・hは、aとhとの内積を表す。
  
ahは、実2次元横ベクトルaと実2次元縦ベクトルhとの行列積を表す。
  (どちらも、結果は同じとなる) 

  +は、実2次元数ベクトル空間に定められているベクトル和を表す。
  −は、実数体に定義されている引き算を表す。
  
0は2次元零ベクトルを表し、0は実数の0を表す。
 
* ‖h‖ は、hのユークリッドノルムを表す。
  これは、
x0+hからx0へのユークリッド距離
       
d ( x0+h, x0 ) =‖(x0+h)−x0‖
  に等しい。  
 
* この微分可能の定義は、前述の表現1bを、以下の要領でベクトルを使って表現しなおしたもの。
    ・
点(x0,y0)      → 実2次元縦ベクトルx 0    
    ・実数
A,B      → 実2次元横ベクトルa  
    ・増分
(Δx,Δy)    → 実2次元縦ベクトルh  
    ・
点(x0+Δx, y0+Δy)  → 実2次元縦ベクトルx0+h  
    ・AΔx + BΔy     → 内積a・h または、行列積ah 
  だから、この定義が意味するところは、表現
3bとなんら変わらない。 


[文献]杉浦『解析入門』�U§5 定義1(5.4)(p.120)


※微分係数(A,B)は勾配ベクトルに等しくなる[→定理]

[表現4a−ベクトル演算・増分を用いずに]


「
z=f (x,y )は点(x0,y0)で(全)微分可能で、点(x0,y0)における微分係数は(A, B)である」とは、
 
点(x0,y0)に対して、ある一定の実数A,Bが存在して、
   
f ( x,y )=f ( x0,y0 )+A(x−x0) + B (y−y0 ) +ε(x,y ) d ( (x,y), (x0,y0) )  
 と書くとき、
(x,y) → (x0,y0)のとき、ε(x,y )→(0,0) を満たす
ということ。


 
* 表現2aでランダウの記号を用いない表現の一例。

 

[文献]
小平『
解析入門�U』§6.2-b(p.267);


※微分係数(A,B)は勾配ベクトルに等しくなる[→定理]

[表現4b−ベクトル演算を用いずに・増分を用いて]


「
z=f (x,y )は点(x0,y0)で(全)微分可能で、点(x0,y0)における微分係数は(A, B)である」とは、
 
点(x0,y0)に対して、ある一定の実数A,Bが存在して、
   Δ
z=f ( x0+Δx , y0+Δy )−f ( x0, y0 )=AΔx+ BΔy + ε(x,y ) ‖(Δx,Δy)‖   
 と書くとき、
(Δx,Δy)→(0,0)のとき、ε(x,y )→(0,0) を満たす
ということ。


[文献]
高木『
解析概論』p. 55 :2変数関数;
吹田新保『理工系の微分積分学』6章§3�U(p.164) :2変数関数;

※微分係数(A,B)は勾配ベクトルに等しくなる[→定理]

→[トピック一覧:2変数関数の全微分]
→総目次 

定理:2変数関数の点(x0, y0)での微分可能性と方向微分可能性 


定理


1.   z=f (x,y )が点(x0,y0)で(全)微分可能ならば、
  
z=f (x,y )は、点(x0,y0)で、任意の方向に方向微分可能。 

※  z=f (x,y )が、点(x0,y0)で、xについてもyについても方向微分可能だとしても、
   
z=f (x,y )が点(x0,y0)で(全)微分可能とは限らない。  


[文献]
・杉浦『解析入門』�U§5定理5.2 (p.121):n変数実関数。証明付。
・高橋『
微分と積分2』§3.2 定理3.14(p.74): 2変数関数;

証明

→[トピック一覧:2変数関数の全微分]
→総目次

定理:2変数関数の点(x0, y0)での微分可能性と偏微分可能性、微分係数と偏微分係数 


定理


1.   z=f (x,y )が点(x0,y0)で(全)微分可能ならば、
  
z=f (x,y )は、点(x0,y0)で、xについてもyについても偏微分可能。 

2.  z=f (x,y )が点(x0,y0)で(全)微分可能ならば、
   
点(x0,y0)における微分係数は、
   
点(x0,y0)における勾配ベクトル
    
grad f (x0,y0)=(∂f (x0,y0)/∂x , ∂f (x0,y0)/∂x) 
   に等しい。

※  z=f (x,y )が、点(x0,y0)で、xについてもyについても偏微分可能だとしても、
   
z=f (x,y )が点(x0,y0)で(全)微分可能とは限らない。  


[文献]
・
Lang,Undergraduate Analysis, 15-§2Theorem2.1(pp.322-3):証明つき;
・志賀『解析入門30講』25講(pp.194-5) :2変数関数:証明つき;
・杉浦『解析入門』�U§5定理5.2 (p.121): n変数実関数。方向微分から導出。
・高橋『
微分と積分2』§3.2 定理3.11(p.72): 2変数関数;
・高木『
解析概論』p.56;小平『解析入門�U』p.267;
・吹田新保『理工系の微分積分学』p.164.

証明


「z=f (x,y )は点(x0,y0) で(全)微分可能で、点(x0,y0) における微分係数は(A, B)である」とは、
「
点(x0,y0)に対して、ある一定の実数A,Bが存在して、
  どの方向からであれ、いかなる経路を通ってであれ、
  定
点(x0,y0)へ近づく動点(x0+Δx, y0+Δy)は、 
   
{ f ( x0+Δx, y0+Δy )−(AΔx + BΔy + f ( x0,y0 ) )}/ ‖(Δx,Δy)‖ →0 ( (Δx,Δy) →(0,0) )
 を満たす」
ということであった。
だから、「
z=f (x,y )は点(x0,y0) で(全)微分可能で、点(x0,y0) における微分係数が(A, B)である」ならば、
 
(i)左右から直進して、定点(x0,y0)へ近づく動点
    つまり、動
点(x0+Δx, y0+Δy)にΔy=0という制限を加えて、
    
(x0+Δx, y0)と表される動点だけを考えた特殊ケースでも、
 
(ii)上下から直進して、定点(x0,y0)へ近づく動点
    つまり、動
点 (x0+Δx, y0+Δy) )にΔx=0という制限を加えて、
    
(x0, y0+Δy) と表される動点だけを考えた特殊ケースでも、
{ f ( x0+Δx, y0+Δy )−(AΔx + BΔy + f ( x0,y0 ) )}/ ‖(Δx,Δy)‖ →0 ( (Δx,Δy) →(0,0) )
が満たされる。
特殊ケース
(i) (ii)のそれぞれにおいて、
 { f ( x0+Δx, y0+Δy )−(AΔx + BΔy + f ( x0,y0 ) )}/ ‖(Δx,Δy)‖ →0 ( (Δx,Δy) →(0,0) )
を具体的に展開してみよう。 


[文献]

志賀『解析入門30講』25講(pp.194-5)。


(i)
左右から直進して、定点(x0,y0)へ近づく動点だけを考えた特殊ケース、
つまり、
動
点(x0+Δx, y0+Δy)にΔy=0という制限を加えて(x0+Δx, y0)と表される動点だけ
を考えた特殊ケースでは、
 
{ f ( x0+Δx, y0+Δy )−(AΔx + BΔy + f ( x0,y0 ) )}/ ‖(Δx,Δy)‖ →0 ( (Δx,Δy) →(0,0) )
は、Δ
y=0だから、
  
{ f ( x0+Δx, y0 )−(AΔx + f ( x0,y0 ) )}/ ‖(Δx,0)‖ →0 ( (Δx, 0) →(0,0) ) …(1-1) 
となる。

  
ユークリッドノルムの定義より、‖(Δx,0)‖=Δx だから、 
  
(1)は、 
  { f ( x0+Δx, y0 )−(AΔx + f ( x0,y0 ) )}/Δx →0 ( (Δx, 0) →(0,0) ) …(1-2) 
  となる。

  ここで2変数関数の極限
(Δx, 0) →(0,0) は、
  実質的には
1変数の極限操作Δx→0だけをしているにすぎないから、
  
2変数関数の極限をとる(2)は、
  { f ( x0+Δx, y0 )−(AΔx + f ( x0,y0 ) )}/Δx→0 (Δx→0) …(1-3) 
  という
1変数関数の極限に還元される。  

  
{ f ( x0+Δx, y0 )−(AΔx + f ( x0,y0 ) )}/Δx =( f ( x0+Δx, y0 )−f ( x0,y0 ) )/Δx−A 
  であるから、  
  
(1-3)は、
   
( f ( x0+Δx, y0 )−f ( x0,y0 ) )/Δx−A →0 (Δx→0)  
   となり、
  したがって、
( f ( x0+Δx, y0 )−f ( x0,y0 ) )/Δx → A (Δx→0) …(1-4) 
   
  
(1-4)は、
  「
f ( x, y ) は、点 ( x0 , y0 )で、xに関して偏微分可能であり、
      
点(x0 , y0 )におけるf ( x, y )の偏微分係数∂f (x0,y0)/∂xはAである」
  ということの定義に他ならない。


(ii)
上下から直進して、定点(x0,y0)へ近づく動点だけを考えた特殊ケース、
つまり、
動
点 (x0+Δx, y0+Δy) )にΔx=0という制限を加えて、(x0, y0+Δy) と表される動点だけ
を考えた特殊ケースでは、
 
{ f ( x0+Δx, y0+Δy )−(AΔx + BΔy + f ( x0,y0 ) )}/ ‖(Δx,Δy)‖ →0 ( (Δx,Δy) →(0,0) )
は、Δ
x=0だから、
 
{ f ( x0, y0+Δy )−(BΔy + f ( x0,y0 ) )}/ ‖(0,Δy)‖ →0 ( (0,Δy) →(0,0) ) …(2-1) 
となる。

  
ユークリッドノルムの定義より、‖(0,Δy)‖=Δy だから、 
  
(2-1)は、 
  { f ( x0, y0+Δy )−(BΔy + f ( x0,y0 ) )}/Δy →0 ( (0,Δy) →(0,0) )  …(2-2) 
  となる。

  ここで2変数関数の極限
(0,Δy) →(0,0) は、
  実質的には
1変数の極限操作Δy→0だけをしているにすぎないから、
  
2変数関数の極限をとる(2-2)は、
  { f ( x0, y0+Δy )−(BΔy + f ( x0,y0 ) )}/Δy →0 (Δy→0) …(2-3) 
  という
1変数関数の極限に還元される。  

  
{ f ( x0, y0+Δy )−(BΔy + f ( x0,y0 ) )}/Δy =( f ( x0, y0+Δy )−f ( x0,y0 ) )/Δy−B 
  であるから、  
  
(2-3)は、
   
( f ( x0, y0+Δy )−f ( x0,y0 ) )/Δy−B →0 (Δy→0)  
  となり、
  したがって、
( f ( x0, y0+Δy )−f ( x0,y0 ) )/Δy → B (Δy→0) …(2-4) 

  
(2-4)は、
  「
f ( x, y ) は、点 ( x0 , y0 )で、yに関して偏微分可能であり、
      
点(x0 , y0 )におけるf ( x, y )の偏微分係数∂f (x0,y0)/∂yはBである」


以上から、
「
z=f (x,y )は点(x0,y0) で(全)微分可能で、点(x0,y0) における微分係数が(A, B)である」ならば、
(i)左右から直進して、定点(x0,y0)へ動点(x,y)を近づけたケースから、
 「
f ( x, y ) は、点 ( x0 , y0 )で、xに関して偏微分可能であり、
      
点(x0 , y0 )におけるf ( x, y )の偏微分係数∂f (x0,y0)/∂xはAである」 
 ことが明らかになり、 
(ii)上下から直進して、定点(x0,y0)へ動点(x,y)を近づけたケースから、
 「
f ( x, y ) は、点 ( x0 , y0 )で、yに関して偏微分可能であり、
      
点(x0 , y0 )におけるf ( x, y )の偏微分係数∂f (x0,y0)/∂yはBである」
 ことが明らかになった。
つまり、
z=f (x,y )が点(x0,y0)で(全)微分可能ならば、
z=f (x,y )は、点(x0,y0)で、xについてもyについても偏微分可能であって、 
点(x0,y0)における微分係数は、
点(x0,y0)における勾配ベクトル
  
grad f (x0,y0)=(∂f (x0,y0)/∂x , ∂f (x0,y0)/∂x) 
 に等しい。

※

z=f (x,y )が、点(x0,y0)で、xについてもyについても偏微分可能だとしても、
z=f (x,y )が点(x0,y0)で(全)微分可能とは限らない。
z=f (x,y )が、点(x0,y0)で、xについてもyについても偏微分可能なのに、(全)微分可能でない例をあげる。

例1:次の関数は、点(0,0)において、x,yについて偏微分可能なのに、(全)微分可能でない。
    

→吹田新保『理工系の微分積分学』6章§3�U(p.164)
 Lang,Undergraduate Analysis, 15-§2Theorem2.1(p.323):

例2:次の関数は、点(0,0)において、x,yについて偏微分可能なのに、(全)微分可能でない。
    

→杉浦『解析入門』�U§5例3 (p.122)

例3:次の関数は、点(0,0)において、
   
x,yについて偏微分可能であるばかりか、あらゆる方向に方向微分可能なのに、
   
(全)微分可能でない。
    

→杉浦『解析入門』�U§5例4 (pp.122-3)

例4:次の関数は、点(0,0)において、x,yについて偏微分可能なのに、(全)微分可能でない。
   
f (x,y )=min{|x|,|y|}

→笠原『微分積分学』5.1-例1(p.154):2変数関数

→[トピック一覧:2変数関数の全微分]
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定理:2変数関数に点(x0, y0)で接する接平面の方程式 


定理


z=f (x,y )が点(x0,y0)で(全)微分可能ならば、
z=f (x,y )が表す曲面
    
{(x, y, z ) | z=f (x,y )} 
に、
点( x0 , y0, f ( x0 , y0 ))で接する接平面の方程式は、
  
z=(∂f (x0,y0)/∂x ) (x−x0 )+(∂f (x0,y0)/∂y ) (y−y0 ) +f ( x0,y0 ) 
※解説
 この方程式で表された平面が、たしかに、
 曲面
z = f ( x , y )に点( x0 , y0, f ( x0 , y0 ))で接する接平面であることは、
 以下の諸点より確かめられる。 
 
1.接点( x0 , y0, f ( x0 , y0 ))を通っている。  
 
2.曲面のx軸方向での傾きと、この平面のx軸方向での傾きは、ともに等しい。 
   ※この平面を
xで偏微分してみよ。 
 
3.曲面のy軸方向での傾きと、この平面のy軸方向での傾きは、ともに等しい。
   ※この平面を
yで偏微分してみよ。
 
4.この曲面とこの平面について、
  
xでの偏微分係数、yでの偏微分係数の両方が、等しければ、  
  θ
方向微分係数の計算式より、  
  すべての方向θについて、
方向微分係数(傾き)も等しくなる。  


[文献]
・杉浦『解析入門』�U§5定義2 (p.120:n変数実関数。
・小形『
多変数の微分積分』pp.55-61.
・志賀『解析入門30講』25講(pp.194-5) :2変数関数:証明つき
・高橋『
微分と積分2』§3.2 定理3.11(p.72): 2変数関数;

証明


「
z=f (x,y )は点 (x0,y0)で微分可能・全微分可能」とは、
 
z=f (x,y )が表す曲面{(x, y, z ) | z=f (x,y ) }に点(x0,y0, f (x0,y0 ))で接する平面 
    
{(x, y, z ) | z= A (x−x0 )+ B (y−y0 ) +f ( x0,y0 ) } 
 を定められることであった。
 
(全)微分可能ならば、微分係数(A,B)は勾配ベクトル
    
grad f (x0,y0)=(∂f (x0,y0)/∂x , ∂f (x0,y0)/∂x) 
 に等しくなるのだった
[→定理]。
 だから、
A=∂f (x0,y0)/∂x , B=∂f (x0,y0)/∂x を、
     
{(x, y, z ) | z= A (x−x0 )+ B (y−y0 ) +f ( x0,y0 ) } 
 に代入すれば、接平面が得られたことになる。 

→[トピック一覧:2変数関数の全微分]
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定義:2変数関数の全微分total differential 



z=f (x,y )が点(x0,y0)で(全)微分可能であるとき、
点( x0 , y0, f ( x0 , y0 ))でz=f (x,y )に接する接平面
  
z=g(x,y) = (∂f (x0,y0)/∂x ) (x−x0 )+(∂f (x0,y0)/∂y ) (y−y0 ) +f ( x0,y0 ) 
のうえで、
xについての増分Δx、yについての増分Δyにたいして、
z=g(x,y)がどれだけ増減するかを示す値
 Δ
g= g(x+Δx,y+Δy)−g(x,y)  
   
= (∂f (x0,y0)/∂x ) (x+Δx−x0 )+(∂f (x0,y0)/∂y ) (y+Δy−y0 ) +f ( x0,y0 )
        −{ (∂f (x0,y0)/∂x ) (x−x0 )+(∂f (x0,y0)/∂y ) (y−y0 ) +f ( x0,y0 )}
  =
(∂f (x0,y0)/∂x ) Δx+(∂f (x0,y0)/∂y ) Δy 
を「
点(x0,y0)におけるf (x,y )の全微分」とよび、
 
d f ,
 fx (x0,y0) dx+fy (x0,y0) dy 
 
等で表す。 
※このように、
 「
点(x0,y0)におけるf (x,y )の全微分」d fは、
 接平面
z=g(x,y)の増分Δg= g(x+Δx,y+Δy)−g(x,y)
 なのであって、
 
z=f (x,y )そのものの増分Δf= f(x+Δx,y+Δy)−f(x,y)
 とは別の概念であることに注意されたい。   
  


[文献]
・笠原『微分積分学』定義5.2(p.154):2変数関数
・岡田『
経済学・経営学のための数学』1.6(p.45)
・高橋『微分と積分2』§3.2 (p.71): 2変数関数;

[類概念]
. 1変数関数の微分differential,

※

z=f (x,y )が領域Dの各点で全微分可能であるとき、
  
点( x0, y0 )∈Dにおけるz=f (x,y)の全微分 
       
  の値は、
点( x0, y0 ) によって変わってくるから、領域D上の点( x0, y0 )の関数。
  
x0, y0をx,yと書き直した領域D上の関数
      
  と書ける。

→[トピック一覧:2変数関数の全微分]
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定理:全微分可能と連続 


定理


z=f (x,y )が点( x0 , y0 )で全微分可能であるならば、
z=f (x,y )は点( x0 , y0 )で連続である。 


[文献]
・小平『解析入門�U』p.267;
・吹田・新保『理工系の微分積分学』p.164.

証明

→[トピック一覧:2変数関数の全微分]
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定理:全微分可能の十分条件:連続な導関数 


定理


偏微分係数 f x ( x0 , y0 )、f y ( x0 , y0 )が存在して、それらのいずれかが連続ならば、
z=f (x,y )は点( x0, y0)で全微分可能である。
とくに、
C1級関数は全微分可能である。 


[文献]
・笠原『微分積分学』定理5.6(p.158):2変数関数
・高木『
解析概論』p.56;
・吹田・新保『理工系の微分積分学』p.164.
・杉浦『解析入門』�U§5定理5.3 (p.123):n変数実関数。証明付。
・高橋『
微分と積分2』§3.2 定理3.15(p.75): 2変数関数;

証明

→[トピック一覧:2変数関数の全微分]
→総目次 

定義:方向微分係数 



※
2変数関数の方向微分へ移動。 

   

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定義:法線ベクトル

 

 

 

 

(reference)

日本数学会編集『岩波数学辞典(第三版)』 岩波書店、1985年。

神谷和也・浦井憲『経済学のための数学入門』東京大学出版会、1996年、pp.235-227..

高木貞治『解析概論 改訂第三版』岩波書店、1983年、p. 55.

小平邦彦『解析入門II』 (軽装版)岩波書店、2003年 p.267-268。

和達三樹『理工系の数学入門コース1・微分積分』岩波書店、1988年、pp.119-120.

吹田・新保『理工系の微分積分学』学術図書出版社、1987年。pp.164-165.

杉浦光夫『解析入門』岩波書店、1980年、pp.118-126.  ただし、いきなり多次元。

高橋一『経済学とファイナンスのための数学』新世社、1999年、pp.60-61。

高橋陽一郎『岩波講座現代数学への入門:微分と積分2』 岩波書店、1995年、pp.70-72。

小林道正『Mathematicaによる微積分』朝倉書店、1995年、pp.98-99
小形正男『理工系数学のキーポイント7:多変数の微分積分』岩波書店、1996、pp.44-63.
Chiang,
Fundamental Methods of Mathematical Economics: Third Edition, McGraw Hill,1984, pp.194-195.

 

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