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微分積分びぶんせきぶん応用おうよう

date2026-07-15document_iddoc_a8836c05a3377b058a8821f1a194227edescription局所的な変化、区間上の累積、導関数の総変化を区別し、応用問題で微分と積分を選択する基準を整理する。prerequisites微分法の基本 / 局所線型近似と微分可能性 / 微分公式と計算法 / 積分法の基本 / 積分公式と計算法 / 微分積分学の基本定理 / 関数のグラフtype講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/calculus/differentiation-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/calculus/local-linear-approximation-and-differentiability.lecture.n.md / data/lecture/math/calculus/differentiation-rules-and-computation.lecture.n.md / data/lecture/math/calculus/integration-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/calculus/integration-rules-and-computation.lecture.n.md / data/lecture/math/calculus/fundamental-theorem-of-calculus.lecture.n.md / data/exercise/math/calculus/advanced-calculus-applications.exercise.n.md
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1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、問題もんだい局所的きょくしょてき変化へんか区間上くかんじょう累積るいせき、または導関数どうかんすう総変化そうへんかのいずれを要求ようきゅうするかを分類ぶんるいし、微分びぶん積分せきぶん選択せんたくする基準きじゅん説明せつめいする。接線せっせん瞬間速度しゅんかんそくど増減ぞうげん極値きょくちには微分びぶんを、面積めんせき質量しつりょう平均値へいきんち変位へんいには積分せきぶん使用しようする。微分積分学びぶんせきぶんがく基本定理きほんていりは、局所的きょくしょてき変化率へんかりつ区間全体くかんぜんたい変化量へんかりょう接続せつぞくする。

2局所量きょくしょりょう微分びぶん

fa微分可能びぶんかのうならば、h0 のとき

f(a+h)=f(a)+f(a)h+r(h),r(h)h0

である。この一次近似いちじきんじは、f(a)a における局所的きょくしょてき変化率へんかりつであり、誤差項ごさこう r(h)h より高次こうじであることをしめす。したがって、接線せっせん瞬間速度しゅんかんそくど局所近似きょくしょきんじでは導関数どうかんすう計算けいさんする。

f区間くかん微分可能びぶんかのうならば、f(x)>0区間くかんf増加ぞうかし、f(x)<0区間くかんf減少げんしょうする。定義域ていぎいき内点ないてん cf(c)=0 となるか、fc微分不能びぶんふのうであるとき、c臨界点りんかいてんcritical pointぶ。内点ないてん c局所的きょくしょてき極値きょくちり、fc微分可能びぶんかのうならば、フェルマーの停留条件ていりゅうじょうけんFermat's stationary-point theoremにより f(c)=0 である。ただし、f(c)=0極値きょくち十分条件じゅうぶんじょうけんではない。導関数どうかんすう符号変化ふごうへんかまたはべつ判定法はんていほう確認かくにんする必要ひつようがある。

2.1極値きょくちれい

f(x)=x3-3x ならば、

f(x)=3(x-1)(x+1)

である。f符号ふごうx=-1せいからへ、x=1からせい変化へんかする。したがって、x=-1極大値きょくだいちり、x=1極小値きょくしょうちる。

3累積量るいせきりょう積分せきぶん

積分せきぶんは、区間くかん細分さいぶんして局所的きょくしょてき寄与きよ加算かさんし、その極限きょくげん操作そうさである。連続関数れんぞくかんすう f[a,b] じょう非負ひふならば、

abf(x)dx

f のグラフと x じくあいだ面積めんせきである。ぼう線密度せんみつど位置いちについて積分せきぶんすれば質量しつりょう流量りゅうりょう時間じかんについて積分せきぶんすれば総量そうりょうとなる。このとき、被積分関数ひせきぶんかんすう単位たんい積分変数せきぶんへんすう単位たんいじょうじると、累積量るいせきりょう単位たんいる。

3.1関数かんすう平均値へいきんち

a<b とし、f[a,b] じょう連続関数れんぞくかんすうとする。f平均値へいきんちは、おな総量そうりょうあたえる定数ていすう

favg=1b-aabf(x)dx

である。たとえば f(x)=x2[0,3] じょう平均値へいきんち

1303x2dx=3

となる。定積分ていせきぶんそのものは総量そうりょうであり、区間長くかんちょうじょしたあたい平均値へいきんちである。

4総変化量そうへんかりょう基本定理きほんていり

s位置いちv=s速度そくどとする。v[a,b] じょう連続れんぞくならば、基本定理きほんていりにより

abv(t)dt=s(b)-s(a)

である。左辺さへん瞬間変化率しゅんかんへんかりつ累積るいせき右辺うへん位置いち総変化量そうへんかりょうである。

変位へんい移動距離いどうきょり区別くべつする。変位へんい

abv(t)dt

であるが、移動距離いどうきょり

ab|v(t)|dt

である。速度そくど符号ふごうえる場合ばあい変位へんいでは逆向ぎゃくむきの移動いどう相殺そうさいされるが、移動距離いどうきょりでは相殺そうさいされない。

4.1変位へんい距離きょりれい

v(t)=t-10[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]t[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]2かんがえる。変位へんい

02(t-1)dt=0

である。一方いっぽうt=1速度そくど符号ふごう変化へんかするため、移動距離いどうきょり

01(1-t)dt+12(t-1)dt=1

となる。

5選択基準せんたくきじゅん

要求ようきゅうされるりょうおも方法ほうほう確認事項かくにんじこう
接線せっせん瞬間速度しゅんかんそくど局所近似きょくしょきんじ微分びぶん評価点ひょうかてん微分可能びぶんかのう
増減ぞうげん導関数どうかんすう符号ふごう各部分区間かくぶぶんくかんf符号ふごうなに
局所的きょくしょてき極値きょくち臨界点りんかいてん前後ぜんご増減ぞうげんf符号ふごう変化へんかするか
面積めんせき質量しつりょう総量そうりょう積分せきぶん局所的きょくしょてき寄与きよ積分区間せきぶんくかんなに
平均値へいきんち積分せきぶん区間長くかんちょうじょするa<b
総変化量そうへんかりょう導関数どうかんすう積分せきぶん基本定理きほんていり仮定かてい成立せいりつするか
移動距離いどうきょり速度そくど絶対値ぜったいち積分せきぶん速度そくど符号ふごう変化へんかするてん区間くかん分割ぶんかつしたか

6適用上てきようじょう注意ちゅうい

f(c)=0 だけでは c極値きょくちであると結論けつろんできない。また、f微分不能びぶんふのうてん定義域ていぎいき端点たんてん極値きょくち候補こうほとなりうる。f閉区間へいくかん [a,b] じょう連続れんぞくであるとき、最大値さいだいちまたは最小値さいしょうちもとめるには、内部ないぶ臨界点りんかいてん両端点りょうたんてんにおける関数値かんすうち比較ひかくする。

幾何学的面積きかがくてきめんせきもとめる場合ばあいは、上下関係じょうげかんけいまたは関数かんすう符号ふごう変化へんかするてん区間くかん分割ぶんかつする。定積分ていせきぶん符号付ふごうつ累積量るいせきりょうであり、つね幾何学的面積きかがくてきめんせきあらわすわけではない。

7演習えんしゅう

つぎ演習えんしゅうは、本講義ほんこうぎ一変数微積分いちへんすうびせきぶんくわえて、偏微分へんびぶん重積分じゅうせきぶん微分方程式びぶんほうていしきふくむ。対応たいおうする後続講義こうぞくこうぎ履修後りしゅうご使用しようすること。

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8関連資料かんれんしりょう

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Applications of Differential and Integral Calculus

1Introduction

This lecture classifies whether a problem asks for local change, accumulation over an interval, or total change obtained from a derivative, and explains how that classification determines the choice between differentiation and integration. Use differentiation for tangent lines, instantaneous velocity, monotonicity, and extrema. Use integration for area, mass, average value, and displacement. The fundamental theorem of calculus connects a local rate of change to the change over an entire interval.

2Local Quantities and Differentiation

If f is differentiable at a, then as h0,

f(a+h)=f(a)+f(a)h+r(h),r(h)h0.

This linear approximation identifies f(a) as the local rate of change at a and shows that the error term r(h) is of higher order than h. Consequently, tangent lines, instantaneous velocity, and local approximation require a derivative.

If f is differentiable on an interval, then f increases where f(x)>0 and decreases where f(x)<0. In this lecture, an interior point c of the domain is called a critical point if f(c)=0 or if f is not differentiable at c. If f has a local extremum at an interior point c and is differentiable there, Fermat's stationary-point theorem gives f(c)=0. The converse is false: one must also check a sign change of the derivative or use another valid test.

2.1Example: Local Extrema

For f(x)=x3-3x,

f(x)=3(x-1)(x+1).

The sign of f changes from positive to negative at x=-1 and from negative to positive at x=1. Thus f has a local maximum at x=-1 and a local minimum at x=1.

3Accumulated Quantities and Integration

Integration partitions an interval, sums local contributions, and takes a limit. If a continuous function f is nonnegative on [a,b], then

abf(x)dx

is the area between its graph and the x-axis. Integrating the linear density of a rod with respect to position gives its mass, and integrating a flow rate with respect to time gives the total amount transferred. Multiplying the unit of the integrand by the unit of the integration variable gives the unit of the accumulated quantity.

3.1Average Value of a Function

Let a<b and let f be continuous on [a,b]. The average value of f is the constant that produces the same total accumulation:

favg=1b-aabf(x)dx.

For example, the average value of f(x)=x2 on [0,3] is

1303x2dx=3.

The definite integral is the total accumulation; dividing it by the interval length gives the average value.

4Total Change and the Fundamental Theorem

Let s denote position and let v=s denote velocity. If v is continuous on [a,b], the fundamental theorem gives

abv(t)dt=s(b)-s(a).

The left-hand side accumulates an instantaneous rate, while the right-hand side is the total change in position.

Displacement and distance traveled are different quantities. Displacement is

abv(t)dt,

whereas distance traveled is

ab|v(t)|dt.

When velocity changes sign, motion in opposite directions cancels in displacement but not in distance traveled.

4.1Example: Displacement and Distance

Let v(t)=t-1 for 0[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]t[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]2. The displacement is

02(t-1)dt=0.

Since velocity changes sign at t=1, the distance traveled is

01(1-t)dt+12(t-1)dt=1.

5Selection Criteria

Requested quantityPrimary methodRequired check
Tangent line, instantaneous velocity, local approximationDifferentiationIs the function differentiable at the point?
MonotonicitySign of the derivativeWhat is the sign of f on each subinterval?
Local extremumBehavior on both sides of a critical pointDoes the sign of f change?
Area, mass, or total amountIntegrationWhat are the local contribution and interval?
Average valueIntegral divided by interval lengthIs a<b?
Total changeIntegral of a derivativeDo the hypotheses of the fundamental theorem hold?
Distance traveledIntegral of speedHas the interval been split where velocity changes sign?

6Conditions and Common Errors

The equation f(c)=0 alone does not imply that c is an extremum. Points where f is not differentiable and endpoints of the domain may also be candidates. If f is continuous on a closed interval [a,b], find an absolute maximum or minimum by comparing its values at all interior critical points and both endpoints.

To calculate geometric area, split the interval wherever the ordering of the curves or the sign of a function changes. A definite integral is a signed accumulation and does not always represent geometric area.

7Exercises

The following exercise set also includes partial derivatives, multiple integrals, and differential equations. Use it after completing the corresponding later lectures.

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8Related Material

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