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局所線型近似と微分可能性md 928c484
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局所線型近似きょくしょせんけいきんじlocal linear approximation微分可能性びぶんかのうせいdifferentiability

date2026-07-15document_iddoc_ab16a2d57d7dee743b84b81338bfeb4cdescription微分を局所線型近似として捉え、基準点で保存される値と傾き、増分に比して無視できる剰余を整理する講義である。prerequisites導関数の定義と差商 / 線型性の基本type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/calculus/derivative-definition-and-difference-quotients.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/linearity-basics.lecture.n.md / data/lecture/math/linear-algebra/linear-maps-and-matrices.lecture.n.md / data/exercise/math/calculus/local-linear-approximation-and-differentiability.exercise.n.md
mathcalculuslinear-approximationlecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、微分びぶんdifferentiation接線せっせんかたむきとしてだけでなく、関数かんすう増分ぞうぶん基準点きじゅんてん近傍きんぼう線型写像せんけいしゃぞうlinear mapによって近似きんじする方法ほうほうとして説明せつめいする。

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2直感的ちょっかんてき説明せつめい

微分可能びぶんかのう関数かんすうのグラフは、基準点きじゅんてん近傍きんぼうでは接線せっせんによって近似きんじできる。この接線せっせんによる近似きんじ局所線型近似きょくしょせんけいきんじlocal linear approximationという。

基準点きじゅんてんa とすると、近似式きんじしき

f(x)f(a)+f(a)(x-a)

である。h=x-a とすれば、増分ぞうぶん h作用さようする L(h)=f(a)hR から R への線型写像せんけいしゃぞうである。一方いっぽうf(a)+L(h)定数項ていすうこうふくむためアフィン写像しゃぞうaffine mapである。「局所線型近似きょくしょせんけいきんじ」の線型せんけいとは、増分ぞうぶんたいする L線型性せんけいせい意味いみする。

3厳密げんみつ説明せつめい

DRf:DRaintD とする。fa微分可能びぶんかのうdifferentiableであることは、ある実数じっすう c剰余じょうよ r(h)存在そんざいして

f(a+h)=f(a)+ch+r(h)

け、さらに

limh0r(h)h=0

成立せいりつすることと同値どうちである。この条件じょうけんr(h)=o(h) とも表記ひょうきする。これは |r(h)|/|h|0、すなわち誤差ごさ絶対値ぜったいち|h|して無視むしできることを意味いみする。実際じっさいh0たいして上式じょうしきhると

f(a+h)-f(a)h=c+r(h)h

となるため、差商さしょう極限きょくげんc であり、c=f(a) である。ぎゃくに、f(a)存在そんざいするならば、r(h)=f(a+h)-f(a)-f(a)h定義ていぎすることで r(h)/h0る。

4具体例ぐたいれい

れいとして 4.1近似きんじする。f:(0,)Rf(x)=xa=4 とする。差商さしょう有理化ゆうりかすると

4+h-2h=14+h+2(h0,4+h>0)

であるため、f(4)=1/4 である。したがって

x2+14(x-4)

であり、x=4.1代入だいにゅうして

4.12.025

る。実際じっさいあたい4.12.02485 であり、基準点きじゅんてんちか範囲はんいでは一次近似いちじきんじ誤差ごさちいさいことを確認かくにんできる。

5関連かんれんリンク

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6演習えんしゅうリンク

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Local Linear Approximation and Differentiability

1Introduction

This lecture explains differentiation not only as the slope of a tangent line but also as a method for approximating the increment of a function near a base point by a linear map.

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2Geometric Interpretation

The graph of a differentiable function can be approximated near a base point by its tangent line. This tangent-line approximation is called a local linear approximation.

At a base point a, the approximation is

f(x)f(a)+f(a)(x-a).

Setting h=x-a, the map L(h)=f(a)h acting on the increment is a linear map from R to R. In contrast, f(a)+L(h) is an affine map because it includes a constant term. The word linear in local linear approximation refers to the linearity of L as a function of the increment.

3Precise Characterization

Let DR, f:DR, and aintD. The function f is differentiable at a if and only if there are a real number c and a remainder r(h) such that

f(a+h)=f(a)+ch+r(h)

with

limh0r(h)h=0.

This condition is also written as r(h)=o(h). It means that |r(h)|/|h|0, so the absolute error is negligible relative to |h|. Indeed, for h0, division by h gives

f(a+h)-f(a)h=c+r(h)h,

so the difference quotient tends to c and hence c=f(a). Conversely, if f(a) exists, defining r(h)=f(a+h)-f(a)-f(a)h gives r(h)/h0.

4Example

As an example, approximate 4.1. Let f:(0,)R, f(x)=x, and a=4. Rationalizing the difference quotient gives

4+h-2h=14+h+2(h0,4+h>0),

so f(4)=1/4. Therefore,

x2+14(x-4),

and substitution of x=4.1 yields

4.12.025.

The actual value is 4.12.02485, confirming that the error of the first-order approximation is small near the base point.

5Related Material

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6Exercises

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