微分積分の表記
微分積分学 では、 微分を表す 統一された表記法は存在しません 。その代わりに、 関数 や 変数 の 導関数を 表すさまざまな表記法が、さまざまな数学者によって提案されています。それぞれの表記法の有用性は状況によって異なり、特定の状況で複数の表記法を使用する方が有利な場合もあります。微分 (および微分とは逆の操作である 反微分 または 不定積分 ) を表す最も一般的な表記法を以下に示します。
ライプニッツ記法
ゴットフリート・ライプニッツ が採用したオリジナルの表記法は 数学のあらゆる分野で使われている。特に、方程式 y = f ( x )が 従属変数 y と独立変数 x の間の関数関係として扱われる場合によく使われる 。ライプニッツの表記法では、導関数を次のように書くことでこの関係を明確にしている。 [1]さらに、
x における f
の導関数は 次のように書かれる。
d
y
d
x
.
{\displaystyle {\frac {dy}{dx}}.}
d
f
d
x
(
x
)
or
d
f
(
x
)
d
x
or
d
d
x
f
(
x
)
.
{\displaystyle {\frac {df}{dx}}(x){\text{ or }}{\frac {df(x)}{dx}}{\text{ or }}{\frac {d}{dx}}f(x).}
高次の導関数は次のように表記される。
これは記号の形式的な操作から生まれた示唆に富んだ表記法である。
d
2
y
d
x
2
,
d
3
y
d
x
3
,
d
4
y
d
x
4
,
…
,
d
n
y
d
x
n
.
{\displaystyle {\frac {d^{2}y}{dx^{2}}},{\frac {d^{3}y}{dx^{3}}},{\frac {d^{4}y}{dx^{4}}},\ldots ,{\frac {d^{n}y}{dx^{n}}}.}
d
(
d
y
d
x
)
d
x
=
(
d
d
x
)
2
y
=
d
2
y
d
x
2
.
{\displaystyle {\frac {d\left({\frac {dy}{dx}}\right)}{dx}}=\left({\frac {d}{dx}}\right)^{2}y={\frac {d^{2}y}{dx^{2}}}.}
点 x = aにおける y の導関数の値は、 ライプニッツの表記法を使用して 2 つの方法で表すことができます
。
d
y
d
x
|
x
=
a
or
d
y
d
x
(
a
)
{\displaystyle \left.{\frac {dy}{dx}}\right|_{x=a}{\text{ or }}{\frac {dy}{dx}}(a)}
ライプニッツの記法では、微分する変数を(分母に)指定することができます。これは、 偏微分を 考えるときに特に役立ちます。また、 連鎖律を 覚えやすく、認識しやすくなります。
d
y
d
x
=
d
y
d
u
⋅
d
u
d
x
.
{\displaystyle {\frac {dy}{dx}}={\frac {dy}{du}}\cdot {\frac {du}{dx}}.}
ライプニッツの微分法では、 dx や dy (微分 として知られる )などの記号自体に意味を割り当てる必要はなく、著者の中にはこれらの記号に意味を割り当てようとしない人もいます。 [1] ライプニッツはこれらの記号を 無限小として扱いました。後の著者は、 非標準解析 における無限小や 外導関数 などの他の意味を割り当てました 。一般的に、 dxは 未定義のままにされるか と等しくされ 、 dyには dx に関して 次の式で意味が割り当てられます。
Δ
x
{\displaystyle \Delta x}
d
y
=
d
y
d
x
⋅
d
x
,
{\displaystyle dy={\frac {dy}{dx}}\cdot dx,}
これは次のようにも書ける。
d
f
=
f
′
(
x
)
⋅
d
x
{\displaystyle df=f'(x)\cdot dx}
(下記参照)。このような方程式から、導関数が「微分係数」(つまり、 dx の 係数 )と呼ばれる用語が一部のテキストで使用されています 。
一部の著者やジャーナルでは、差異記号 d を 斜体 ではなく ローマン体 で設定しています ( d x )。ISO /IEC 80000 科学スタイル ガイドでは、このスタイルが推奨されています。
ラグランジュの記法
f ′ ( x ) の
ラグランジュ表記法で 1 回微分された x の 関数 f 。
微分法の最も一般的な現代表記法の一つは、 ジョセフ・ルイ・ラグランジュにちなんで名付けられているが、実際には オイラー によって発明され 、オイラーによって普及されただけである。ラグランジュの表記法では、 プライムマークは 導関数を表す。fが関数である場合 、 xにおけるその導関数は次のように表さ れる 。
f
′
(
x
)
{\displaystyle f'(x)}
。
1749年に初めて印刷物として登場した。 [3]
より高次の導関数は、 2次導関数 の場合は 、 3次導関数 の場合 は のように、追加のプライム記号を使用して示されます。プライム記号を繰り返し使用すると、最終的には扱いにくくなります。 一部
の著者は 、通常小文字の ローマ数字 を使用し続けています [4] [5] 。
f
″
(
x
)
{\displaystyle f''(x)}
f
‴
(
x
)
{\displaystyle f'''(x)}
f
i
v
(
x
)
,
f
v
(
x
)
,
f
v
i
(
x
)
,
…
,
{\displaystyle f^{\mathrm {iv} }(x),f^{\mathrm {v} }(x),f^{\mathrm {vi} }(x),\ldots ,}
4次、5次、6次、さらに高次の導関数を表すためにアラビア数字を使用する著者もいる。
f
(
4
)
(
x
)
,
f
(
5
)
(
x
)
,
f
(
6
)
(
x
)
,
…
.
{\displaystyle f^{(4)}(x),f^{(5)}(x),f^{(6)}(x),\ldots .}
この表記法は、 n を変数と
する n 次の導関数 を記述することも可能とする。これは次のように書かれる。
f
(
n
)
(
x
)
.
{\displaystyle f^{(n)}(x).}
ラグランジュ記法に関連するUnicode文字には以下のものがある。
U+2032 ◌′ PRIME (派生語)
U+2033 ◌″ 二重プライム (二重導関数)
U+2034 ◌‴ 三重素数 (三次導関数)
U+2057 ◌⁗ 四重素数 (4次導関数)
関数 f ( x , y )に2つの独立変数がある場合、次のような規則に従うことができる: [6]
f
′
=
∂
f
∂
x
=
f
x
f
′
=
∂
f
∂
y
=
f
y
f
′
′
=
∂
2
f
∂
x
2
=
f
x
x
f
′
′
=
∂
2
f
∂
y
∂
x
=
f
x
y
f
′
′
=
∂
2
f
∂
y
2
=
f
y
y
{\displaystyle {\begin{aligned}f^{\prime }&={\frac {\partial f}{\partial x}}=f_{x}\\[5pt]f_{\prime }&={\frac {\partial f}{\partial y}}=f_{y}\\[5pt]f^{\prime \prime }&={\frac {\partial ^{2}f}{\partial x^{2}}}=f_{xx}\\[5pt]f_{\prime }^{\prime }&={\frac {\partial ^{2}f}{\partial y\partial x}}\ =f_{xy}\\[5pt]f_{\prime \prime }&={\frac {\partial ^{2}f}{\partial y^{2}}}=f_{yy}\end{aligned}}}
ラグランジュの反微分表記
f (−1) ( x ) f (−2) ( x )
ラグランジュ表記法による、 fの x に関する 一重および二重不定積分。
ラグランジュは原始微分を取る際にライプニッツの記法に従った。 [7]
f
(
x
)
=
∫
f
′
(
x
)
d
x
=
∫
y
′
d
x
.
{\displaystyle f(x)=\int f'(x)\,dx=\int y'\,dx.}
しかし、積分は微分の逆演算なので、ラグランジュ の高階微分表記は積分にも適用できる。fの繰り返し積分は 次のように書ける。
f
(
−
1
)
(
x
)
{\displaystyle f^{(-1)}(x)}
最初の積分(これは 逆関数 と混同されやすい)については、
f
−
1
(
x
)
{\displaystyle f^{-1}(x)}
f
(
−
2
)
(
x
)
{\displaystyle f^{(-2)}(x)}
2番目の積分については、
f
(
−
3
)
(
x
)
{\displaystyle f^{(-3)}(x)}
3番目の積分については、
f
(
−
n
)
(
x
)
{\displaystyle f^{(-n)}(x)}
n 番目の積分について 。
D表記法
D x y D 2 f
y の x 微分と f の 2 次微分 、オイラー表記。
この表記法は、 オイラーの記法は ルイ・フランソワ・アントワーヌ・アルボガスト によって導入されたが 、 レオンハルト・オイラーは 使用しなかったようである。 [ 要出典 ]
この表記法では、 D ( D演算子 ) [8] [ 検証失敗 ] または D̃ ( ニュートン・ライプニッツ演算子) [9] と表記される 微分演算子 が使用される。 関数 f ( x ) に適用すると、次のように定義される。
(
D
f
)
(
x
)
=
d
f
(
x
)
d
x
.
{\displaystyle (Df)(x)={\frac {df(x)}{dx}}.}
高次の導関数はD の「べき乗」として表記される (上付き文字は D の反復 合成 を表す) [6]
D
2
f
{\displaystyle D^{2}f}
2次導関数については、
D
3
f
{\displaystyle D^{3}f}
3次導関数については、
D
n
f
{\displaystyle D^{n}f}
n 次導関数の場合 。
D記法では、微分を行う変数は暗黙的に残される。しかし、この変数は、その名前を添え字として置くことで明示的にすることもできる。fが変数xの関数である場合 、 これ は 次のように書くことができる [6]。
D
x
f
{\displaystyle D_{x}f}
一次導関数については、
D
x
2
f
{\displaystyle D_{x}^{2}f}
2次導関数については、
D
x
3
f
{\displaystyle D_{x}^{3}f}
3次導関数については、
D
x
n
f
{\displaystyle D_{x}^{n}f}
n 次導関数の場合 。
f が 複数の変数の関数である 場合、" D "ではなく、様式化された筆記体の小文字の d である" ∂ " を使用するのが一般的です。上記のように、下付き文字は取得される導関数を示します。たとえば、関数 f ( x , y ) の2番目の偏導関数は次のようになります。 [6]
∂
x
x
f
=
∂
2
f
∂
x
2
,
∂
x
y
f
=
∂
2
f
∂
y
∂
x
,
∂
y
x
f
=
∂
2
f
∂
x
∂
y
,
∂
y
y
f
=
∂
2
f
∂
y
2
.
{\displaystyle {\begin{aligned}&\partial _{xx}f={\frac {\partial ^{2}f}{\partial x^{2}}},\\[5pt]&\partial _{xy}f={\frac {\partial ^{2}f}{\partial y\,\partial x}},\\[5pt]&\partial _{yx}f={\frac {\partial ^{2}f}{\partial x\,\partial y}},\\[5pt]&\partial _{yy}f={\frac {\partial ^{2}f}{\partial y^{2}}}.\end{aligned}}}
§ 偏微分を参照してください。
D 表記法は微分方程式 の研究 や 微分代数 に役立ちます 。
積分法の D 表記
だ −1 倍 y D −2 f
y の x 不変原始関数 と f の 2 番目の不変原始関数 、オイラー表記。
D表記法はラグランジュ表記法[10] と同様 に不定積分にも使用できる [9]。
D
−
1
f
(
x
)
{\displaystyle D^{-1}f(x)}
第一不定積分の場合、
D
−
2
f
(
x
)
{\displaystyle D^{-2}f(x)}
2番目の不定積分については、
D
−
n
f
(
x
)
{\displaystyle D^{-n}f(x)}
n 番目の原始関数の場合 。
ニュートン記法
ẋ ẍ
x の 1 次導関数と 2 次導関数 、ニュートン表記法。
アイザック・ニュートン の微分法( ドット表記 、 フラクシオン表記 、または時には粗雑に フライスペック表記 [11] とも呼ばれる)では、従属変数の上にドットを配置する。つまり、 yが t の関数である場合、 t に関する y の導関数 は
y
˙
{\displaystyle {\dot {y}}}
高次の導関数は複数のドットを使って表される。
y
¨
,
y
.
.
.
{\displaystyle {\ddot {y}},{\overset {...}{y}}}
ニュートンはこの考えをかなり拡張した。 [12]
y
¨
≡
d
2
y
d
t
2
=
d
d
t
(
d
y
d
t
)
=
d
d
t
(
y
˙
)
=
d
d
t
(
f
′
(
t
)
)
=
D
t
2
y
=
f
″
(
t
)
=
y
t
″
y
.
.
.
=
y
¨
˙
≡
d
3
y
d
t
3
=
D
t
3
y
=
f
‴
(
t
)
=
y
t
‴
y
˙
4
=
y
.
.
.
.
=
y
¨
¨
≡
d
4
y
d
t
4
=
D
t
4
y
=
f
I
V
(
t
)
=
y
t
(
4
)
y
˙
5
=
y
.
.
.
¨
=
y
¨
¨
˙
=
y
¨
˙
¨
≡
d
5
y
d
t
5
=
D
t
5
y
=
f
V
(
t
)
=
y
t
(
5
)
y
˙
6
=
y
.
.
.
.
.
.
≡
d
6
y
d
t
6
=
D
t
6
y
=
f
V
I
(
t
)
=
y
t
(
6
)
y
˙
7
=
y
.
.
.
.
.
.
˙
≡
d
7
y
d
t
7
=
D
t
7
y
=
f
V
I
I
(
t
)
=
y
t
(
7
)
y
˙
10
=
y
¨
¨
¨
¨
¨
≡
d
10
y
d
t
10
=
D
t
10
y
=
f
X
(
t
)
=
y
t
(
10
)
y
˙
n
≡
d
n
y
d
t
n
=
D
t
n
y
=
f
(
n
)
(
t
)
=
y
t
(
n
)
{\displaystyle {\begin{aligned}{\ddot {y}}&\equiv {\frac {d^{2}y}{dt^{2}}}={\frac {d}{dt}}\left({\frac {dy}{dt}}\right)={\frac {d}{dt}}{\Bigl (}{\dot {y}}{\Bigr )}={\frac {d}{dt}}{\Bigl (}f'(t){\Bigr )}=D_{t}^{2}y=f''(t)=y''_{t}\\[5pt]{\overset {...}{y}}&={\dot {\ddot {y}}}\equiv {\frac {d^{3}y}{dt^{3}}}=D_{t}^{3}y=f'''(t)=y'''_{t}\\[5pt]{\overset {\,4}{\dot {y}}}&={\overset {....}{y}}={\ddot {\ddot {y}}}\equiv {\frac {d^{4}y}{dt^{4}}}=D_{t}^{4}y=f^{\rm {IV}}(t)=y_{t}^{(4)}\\[5pt]{\overset {\,5}{\dot {y}}}&={\ddot {\overset {...}{y}}}={\dot {\ddot {\ddot {y}}}}={\ddot {\dot {\ddot {y}}}}\equiv {\frac {d^{5}y}{dt^{5}}}=D_{t}^{5}y=f^{\rm {V}}(t)=y_{t}^{(5)}\\[5pt]{\overset {\,6}{\dot {y}}}&={\overset {...}{\overset {...}{y}}}\equiv {\frac {d^{6}y}{dt^{6}}}=D_{t}^{6}y=f^{\rm {VI}}(t)=y_{t}^{(6)}\\[5pt]{\overset {\,7}{\dot {y}}}&={\dot {\overset {...}{\overset {...}{y}}}}\equiv {\frac {d^{7}y}{dt^{7}}}=D_{t}^{7}y=f^{\rm {VII}}(t)=y_{t}^{(7)}\\[5pt]{\overset {\,10}{\dot {y}}}&={\ddot {\ddot {\ddot {\ddot {\ddot {y}}}}}}\equiv {\frac {d^{10}y}{dt^{10}}}=D_{t}^{10}y=f^{\rm {X}}(t)=y_{t}^{(10)}\\[5pt]{\overset {\,n}{\dot {y}}}&\equiv {\frac {d^{n}y}{dt^{n}}}=D_{t}^{n}y=f^{(n)}(t)=y_{t}^{(n)}\end{aligned}}}
ニュートン記法に関連する Unicode 文字には次のものがあります。
U+0307 ◌̇ 上結合点 (派生語)
U+0308 ◌̈ 結合分音 (二重導関数)
U+20DB ◌⃛ 上に三つのドットを結合 (三次導関数)←「結合分音記号」+「上に結合ドット」に置き換えられました。
U+20DC ◌⃜ COMBINING FOUR DOTS ABOVE (4 次導関数) ← 「combining diaeresis」を 2 回置き換えます。
U+030D ◌̍ 上向きの結合縦線 (積分)
U+030E ◌̎ 上に二重の縦線 (第2積分)
U+25AD ▭ 白い長方形 (整数)
U+20DE ◌⃞ 結合囲み正方形 (積分)
U+1DE0 ◌ᷠ 結合ラテン小文字N ( n 次導関数)
ニュートン記法は、独立変数が 時間 を表すときに一般的に使用されます。位置 y がt の関数である場合 、は 速度 [13] を表し 、 加速度 [14] を表します 。この記法は 物理学 と 数理物理学 でよく使用されます。また、 微分方程式 など、物理学に関連する数学の分野でも使用されます 。
y
˙
{\displaystyle {\dot {y}}}
y
¨
{\displaystyle {\ddot {y}}}
従属変数y = f ( x )の微分をとる場合 、別の表記法が存在する: [15]
y
˙
x
˙
=
y
˙
:
x
˙
≡
d
y
d
t
:
d
x
d
t
=
d
y
d
t
d
x
d
t
=
d
y
d
x
=
d
d
x
(
f
(
x
)
)
=
D
y
=
f
′
(
x
)
=
y
′
.
{\displaystyle {\frac {\dot {y}}{\dot {x}}}={\dot {y}}:{\dot {x}}\equiv {\frac {dy}{dt}}:{\frac {dx}{dt}}={\frac {\frac {dy}{dt}}{\frac {dx}{dt}}}={\frac {dy}{dx}}={\frac {d}{dx}}{\Bigl (}f(x){\Bigr )}=Dy=f'(x)=y'.}
ニュートンは曲線X(ⵋ)上の点線を用いて次のような偏微分演算子を開発した。ホワイトサイドによる定義は以下の通りである: [16] [17]
X
=
f
(
x
,
y
)
,
⋅
X
=
x
∂
f
∂
x
=
x
f
x
,
X
⋅
=
y
∂
f
∂
y
=
y
f
y
,
:
X
or
⋅
(
⋅
X
)
=
x
2
∂
2
f
∂
x
2
=
x
2
f
x
x
,
X
:
or
(
X
⋅
)
⋅
=
y
2
∂
2
f
∂
y
2
=
y
2
f
y
y
,
⋅
X
⋅
=
x
y
∂
2
f
∂
x
∂
y
=
x
y
f
x
y
,
{\displaystyle {\begin{aligned}{\mathcal {X}}\ &=\ f(x,y)\,,\\[5pt]\cdot {\mathcal {X}}\ &=\ x{\frac {\partial f}{\partial x}}=xf_{x}\,,\\[5pt]{\mathcal {X}}\!\cdot \ &=\ y{\frac {\partial f}{\partial y}}=yf_{y}\,,\\[5pt]\colon \!{\mathcal {X}}\,{\text{ or }}\,\cdot \!\left(\cdot {\mathcal {X}}\right)\ &=\ x^{2}{\frac {\partial ^{2}f}{\partial x^{2}}}=x^{2}f_{xx}\,,\\[5pt]{\mathcal {X}}\colon \,{\text{ or }}\,\left({\mathcal {X}}\cdot \right)\!\cdot \ &=\ y^{2}{\frac {\partial ^{2}f}{\partial y^{2}}}=y^{2}f_{yy}\,,\\[5pt]\cdot {\mathcal {X}}\!\cdot \ \ &=\ xy{\frac {\partial ^{2}f}{\partial x\,\partial y}}=xyf_{xy}\,,\end{aligned}}}
ニュートンの積分記法
x̍ x̎
ニュートン表記法の 1 つで表した x の 1 次および 2 次不等式。
ニュートンは、彼の著書『曲率角運動量』 (1704年)や その後の著作 の中で、 積分 のためのさまざまな表記法を開発しました。 流動 積分や時間積分( 欠落積分 )を表すために、従属変数( y̍ )の上に小さな縦線やプライムを書いたり、 接頭辞の四角形( ▭y)を書いたり、項を四角形(y ) で囲んだりしまし た 。
y
=
◻
y
˙
≡
∫
y
˙
d
t
=
∫
f
′
(
t
)
d
t
=
D
t
−
1
(
D
t
y
)
=
f
(
t
)
+
C
0
=
y
t
+
C
0
y
′
=
◻
y
≡
∫
y
d
t
=
∫
f
(
t
)
d
t
=
D
t
−
1
y
=
F
(
t
)
+
C
1
{\displaystyle {\begin{aligned}y&=\Box {\dot {y}}\equiv \int {\dot {y}}\,dt=\int f'(t)\,dt=D_{t}^{-1}(D_{t}y)=f(t)+C_{0}=y_{t}+C_{0}\\{\overset {\,\prime }{y}}&=\Box y\equiv \int y\,dt=\int f(t)\,dt=D_{t}^{-1}y=F(t)+C_{1}\end{aligned}}}
ニュートンは多重積分を表すために、2 つの小さな縦棒またはプライム ( y̎ )、または以前の記号の組み合わせ ▭ y̍ y̍ を使用して、2 番目の時間積分 (絶対値) を表しました。
y
′
′
=
◻
y
′
≡
∫
y
′
d
t
=
∫
F
(
t
)
d
t
=
D
t
−
2
y
=
g
(
t
)
+
C
2
{\displaystyle {\overset {\,\prime \prime }{y}}=\Box {\overset {\,\prime }{y}}\equiv \int {\overset {\,\prime }{y}}\,dt=\int F(t)\,dt=D_{t}^{-2}y=g(t)+C_{2}}
高次の時間積分は次の通りである。 [18]
y
′
′
′
=
◻
y
′
′
≡
∫
y
′
′
d
t
=
∫
g
(
t
)
d
t
=
D
t
−
3
y
=
G
(
t
)
+
C
3
y
′
′
′
′
=
◻
y
′
′
′
≡
∫
y
′
′
′
d
t
=
∫
G
(
t
)
d
t
=
D
t
−
4
y
=
h
(
t
)
+
C
4
y
′
n
=
◻
y
′
n
−
1
≡
∫
y
′
n
−
1
d
t
=
∫
s
(
t
)
d
t
=
D
t
−
n
y
=
S
(
t
)
+
C
n
{\displaystyle {\begin{aligned}{\overset {\,\prime \prime \prime }{y}}&=\Box {\overset {\,\prime \prime }{y}}\equiv \int {\overset {\,\prime \prime }{y}}\,dt=\int g(t)\,dt=D_{t}^{-3}y=G(t)+C_{3}\\{\overset {\,\prime \prime \prime \prime }{y}}&=\Box {\overset {\,\prime \prime \prime }{y}}\equiv \int {\overset {\,\prime \prime \prime }{y}}\,dt=\int G(t)\,dt=D_{t}^{-4}y=h(t)+C_{4}\\{\overset {\;n}{\overset {\,\prime }{y}}}&=\Box {\overset {\;n-1}{\overset {\,\prime }{y}}}\equiv \int {\overset {\;n-1}{\overset {\,\prime }{y}}}\,dt=\int s(t)\,dt=D_{t}^{-n}y=S(t)+C_{n}\end{aligned}}}
この 数学表記法は、印刷の難しさや ライプニッツ・ニュートン微積分論争 のために普及しませんでした 。
偏微分
f x fxy 座標
関数 f を x に対して微分し 、次に x と y に対して微分します。
多変量解析 や テンソル解析 など、より特殊なタイプの微分化が必要な場合は 、他の表記法が一般的です。
単一の独立変数 x の関数 f の場合、独立変数の添え字を使用して導関数を表すことができます。
f
x
=
d
f
d
x
f
x
x
=
d
2
f
d
x
2
.
{\displaystyle {\begin{aligned}f_{x}&={\frac {df}{dx}}\\[5pt]f_{xx}&={\frac {d^{2}f}{dx^{2}}}.\end{aligned}}}
このタイプの表記法は、複数の変数の関数の
偏微分を 取る場合に特に便利です。
偏微分は一般に、微分演算子 d を " ∂ " 記号に置き換えることで通常の微分と区別されます。たとえば、 f ( x , y , z )の x に関する偏微分は、 y や z に関するものではなく、 いくつかの方法で示すことができます。
∂
f
∂
x
=
f
x
=
∂
x
f
.
{\displaystyle {\frac {\partial f}{\partial x}}=f_{x}=\partial _{x}f.}
この区別が重要なのは、 のよう な非偏微分は、文脈に応じて、すべての変数が同時に変化することを許した場合の に対する の変化率として解釈される可能性がある のに対し、 のような偏微分では、 1 つの変数だけが変化することが明示されていることです。
d
f
d
x
{\displaystyle \textstyle {\frac {df}{dx}}}
f
{\displaystyle f}
x
{\displaystyle x}
∂
f
∂
x
{\displaystyle \textstyle {\frac {\partial f}{\partial x}}}
数学、物理学、工学のさまざまな分野では、他の表記法も見られます。たとえば、 熱力学 の マクスウェルの関係式 を参照してください。記号は、エントロピー(下付き文字) S を 一定に保ったまま、温度 Tを体積 V に関して 微分したもの であり、記号は、圧力 P を 一定に保ったまま、温度を体積に関して微分したものです 。これは、変数の数が自由度を超える状況で必要になり、他のどの変数を固定しておくかを選択しなければなりません。
(
∂
T
∂
V
)
S
{\displaystyle \left({\frac {\partial T}{\partial V}}\right)_{\!S}}
(
∂
T
∂
V
)
P
{\displaystyle \left({\frac {\partial T}{\partial V}}\right)_{\!P}}
1つの変数に関する高階偏微分は次のように表される。
∂
2
f
∂
x
2
=
f
x
x
,
∂
3
f
∂
x
3
=
f
x
x
x
,
{\displaystyle {\begin{aligned}&{\frac {\partial ^{2}f}{\partial x^{2}}}=f_{xx},\\[5pt]&{\frac {\partial ^{3}f}{\partial x^{3}}}=f_{xxx},\end{aligned}}}
など。混合偏微分は次のように表される。
∂
2
f
∂
y
∂
x
=
f
x
y
.
{\displaystyle {\frac {\partial ^{2}f}{\partial y\partial x}}=f_{xy}.}
この最後のケースでは、変数は 2 つの表記法間で逆の順序で記述され、次のように説明されます。
(
f
x
)
y
=
f
x
y
,
∂
∂
y
(
∂
f
∂
x
)
=
∂
2
f
∂
y
∂
x
.
{\displaystyle {\begin{aligned}&(f_{x})_{y}=f_{xy},\\[5pt]&{\frac {\partial }{\partial y}}\!\left({\frac {\partial f}{\partial x}}\right)={\frac {\partial ^{2}f}{\partial y\,\partial x}}.\end{aligned}}}
いわゆる マルチインデックス表記法は、 上記の表記法が煩雑になったり表現力が不十分になったりする状況で使用されます。 上の関数を考えるとき 、マルチインデックスを 非負整数の順序付きリストとして定義します。 。次に、 に対して 、表記法
を定義します。
R
n
{\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}
n
{\displaystyle n}
α
=
(
α
1
,
…
,
α
n
)
,
α
i
∈
Z
≥
0
{\displaystyle \alpha =(\alpha _{1},\ldots ,\alpha _{n}),\ \alpha _{i}\in \mathbb {Z} _{\geq 0}}
f
:
R
n
→
X
{\displaystyle f:\mathbb {R} ^{n}\to X}
∂
α
f
=
∂
α
1
∂
x
1
α
1
⋯
∂
α
n
∂
x
n
α
n
f
{\displaystyle \partial ^{\alpha }f={\frac {\partial ^{\alpha _{1}}}{\partial x_{1}^{\alpha _{1}}}}\cdots {\frac {\partial ^{\alpha _{n}}}{\partial x_{n}^{\alpha _{n}}}}f}
この方法により、他の方法では記述するのが面倒ないくつかの結果(ライプニッツの規則 など )を簡潔に表現することができます。いくつかの例は、 マルチインデックスに関する記事 で見つけることができます。 [19]
ベクトル計算の表記
ベクトル解析は ベクトル場 または スカラー場 の 微分 と 積分 を扱います 。3 次元 ユークリッド空間 の場合に特有の表記法がいくつか一般的です。
( x , y , z ) が与えられた 直交座標系 であり、 A が 成分を持つ ベクトル場 であり 、が スカラー場 であると 仮定します 。
A
=
(
A
x
,
A
y
,
A
z
)
{\displaystyle \mathbf {A} =(\mathbf {A} _{x},\mathbf {A} _{y},\mathbf {A} _{z})}
φ
=
φ
(
x
,
y
,
z
)
{\displaystyle \varphi =\varphi (x,y,z)}
ウィリアム・ローワン・ハミルトン によって導入された微分演算子は ∇ と書かれ 、 デル またはナブラと呼ばれ、ベクトルの形で記号的に定義される。
∇
=
(
∂
∂
x
,
∂
∂
y
,
∂
∂
z
)
,
{\displaystyle \nabla =\left({\frac {\partial }{\partial x}},{\frac {\partial }{\partial y}},{\frac {\partial }{\partial z}}\right)\!,}
ここで、この用語は、 演算子∇も通常のベクトルとして扱われることを
象徴的に反映しています。
勾配 :スカラー場の 勾配 ベクトルであり、 ∇とスカラー場の 積 で記号的に表現される。
g
r
a
d
φ
{\displaystyle \mathrm {grad\,} \varphi }
φ
{\displaystyle \varphi }
φ
{\displaystyle \varphi }
grad
φ
=
(
∂
φ
∂
x
,
∂
φ
∂
y
,
∂
φ
∂
z
)
=
(
∂
∂
x
,
∂
∂
y
,
∂
∂
z
)
φ
=
∇
φ
{\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {grad} \varphi &=\left({\frac {\partial \varphi }{\partial x}},{\frac {\partial \varphi }{\partial y}},{\frac {\partial \varphi }{\partial z}}\right)\\&=\left({\frac {\partial }{\partial x}},{\frac {\partial }{\partial y}},{\frac {\partial }{\partial z}}\right)\varphi \\&=\nabla \varphi \end{aligned}}}
発散 :ベクトル場 A の発散 スカラーであり、 ∇とベクトル Aの ドット積 で記号的に表現される。
d
i
v
A
{\displaystyle \mathrm {div} \,\mathbf {A} }
div
A
=
∂
A
x
∂
x
+
∂
A
y
∂
y
+
∂
A
z
∂
z
=
(
∂
∂
x
,
∂
∂
y
,
∂
∂
z
)
⋅
A
=
∇
⋅
A
{\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {div} \mathbf {A} &={\partial A_{x} \over \partial x}+{\partial A_{y} \over \partial y}+{\partial A_{z} \over \partial z}\\&=\left({\frac {\partial }{\partial x}},{\frac {\partial }{\partial y}},{\frac {\partial }{\partial z}}\right)\cdot \mathbf {A} \\&=\nabla \cdot \mathbf {A} \end{aligned}}}
ラプラシアン :スカラー場の ラプラシアン スカラーであり、∇ 2 とスカラー場 φ のスカラー乗算によって記号的に表現される。
div
grad
φ
{\displaystyle \operatorname {div} \operatorname {grad} \varphi }
φ
{\displaystyle \varphi }
div
grad
φ
=
∇
⋅
(
∇
φ
)
=
(
∇
⋅
∇
)
φ
=
∇
2
φ
=
Δ
φ
{\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {div} \operatorname {grad} \varphi &=\nabla \cdot (\nabla \varphi )\\&=(\nabla \cdot \nabla )\varphi \\&=\nabla ^{2}\varphi \\&=\Delta \varphi \\\end{aligned}}}
回転 :ベクトル場 A の回転 、またはは ベクトルであり、 ∇とベクトル Aの 外積 によって記号的に表現されます。
c
u
r
l
A
{\displaystyle \mathrm {curl} \,\mathbf {A} }
r
o
t
A
{\displaystyle \mathrm {rot} \,\mathbf {A} }
curl
A
=
(
∂
A
z
∂
y
−
∂
A
y
∂
z
,
∂
A
x
∂
z
−
∂
A
z
∂
x
,
∂
A
y
∂
x
−
∂
A
x
∂
y
)
=
(
∂
A
z
∂
y
−
∂
A
y
∂
z
)
i
+
(
∂
A
x
∂
z
−
∂
A
z
∂
x
)
j
+
(
∂
A
y
∂
x
−
∂
A
x
∂
y
)
k
=
|
i
j
k
∂
∂
x
∂
∂
y
∂
∂
z
A
x
A
y
A
z
|
=
∇
×
A
{\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {curl} \mathbf {A} &=\left({\partial A_{z} \over {\partial y}}-{\partial A_{y} \over {\partial z}},{\partial A_{x} \over {\partial z}}-{\partial A_{z} \over {\partial x}},{\partial A_{y} \over {\partial x}}-{\partial A_{x} \over {\partial y}}\right)\\&=\left({\partial A_{z} \over {\partial y}}-{\partial A_{y} \over {\partial z}}\right)\mathbf {i} +\left({\partial A_{x} \over {\partial z}}-{\partial A_{z} \over {\partial x}}\right)\mathbf {j} +\left({\partial A_{y} \over {\partial x}}-{\partial A_{x} \over {\partial y}}\right)\mathbf {k} \\&={\begin{vmatrix}\mathbf {i} &\mathbf {j} &\mathbf {k} \\{\cfrac {\partial }{\partial x}}&{\cfrac {\partial }{\partial y}}&{\cfrac {\partial }{\partial z}}\\A_{x}&A_{y}&A_{z}\end{vmatrix}}\\&=\nabla \times \mathbf {A} \end{aligned}}}
微分に関する記号的演算の多くは、直交座標における勾配演算子によって簡単に一般化できる。例えば、一変数積の 規則は 、勾配演算子を適用することでスカラー場の乗算に直接類似している。
(
f
g
)
′
=
f
′
g
+
f
g
′
⟹
∇
(
ϕ
ψ
)
=
(
∇
ϕ
)
ψ
+
ϕ
(
∇
ψ
)
.
{\displaystyle (fg)'=f'g+fg'~~~\Longrightarrow ~~~\nabla (\phi \psi )=(\nabla \phi )\psi +\phi (\nabla \psi ).}
一変数微積分学の他の多くの規則には、 勾配、発散、回転、ラプラシアンなどの
ベクトル計算の類似物があります。
さらに特殊なタイプの空間に対しては、さらに別の表記法が開発されています。 ミンコフスキー空間 での計算では、 ダランベール演算子 は 、ダランベール演算子、波動演算子、ボックス演算子とも呼ばれ、 として表されます 。ラプラシアンの記号と矛盾しない場合は
として表されます。
◻
{\displaystyle \Box }
Δ
{\displaystyle \Delta }
参照
解析学会 – ニュートン微積分学ではなくライプニッツ微積分学の使用を推進した 19 世紀のイギリスの団体 Pages displaying wikidata descriptions as a fallback
微分 – 瞬間的な変化率(数学)
流数 – 歴史的な数学概念、微分形式
ヘッセ行列 – (数学的)2次導関数の行列
ヤコビ行列 – ベクトル値関数のすべての1次偏微分行列 Pages displaying short descriptions of redirect targets
分野別の数学記号一覧
演算計算
参考文献
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^ ニュートンの表記法は以下から転載:
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1 次から 7 次、 n 次、( n +1) 次導関数: フラクション法 ( ニュートン 、1736 年)、pp. 313-318 および p. 265 (元の MS: 「ニュートン論文:フラクション」の p. 163)。2017 年 4 月 6 日にオリジナルからアーカイブ。2016 年 2 月 5 日 に取得 。 )
1 次から 5 次導関数 : A Treatise of Fluxions (Colin MacLaurin、1742)、p. 613
1 次から 4 次および n 次導関数: 記事「微分」および「流束」、 純粋数学および混合数学辞典 (Peter Barlow、1814 年)
1 次から 4 次、10 次、 n次導関数: 数学表記法の歴史 (F.Cajori、1929 年) の記事 622、580、579
1 次から 6 次および n 次導関数: アイザック ニュートンの数学論文 第 7 巻 1691-1695 (DT Whiteside、1976)、pp.88 および 17
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のドット は省略できる( )
y
n
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1次から3次の積分: フラクション法 ( ニュートン 、1736年)、pp. 265-266 (原著論文「ニュートン論文:フラクション」のp. 163 )。2017年4月6日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2016年2月5日 閲覧 。 )
第 4 次積分: 流数論 (ジェームズ ホジソン、1736 年)、54 ページと 72 ページ
1 次から 2 次までの積分: 数学表記法の歴史 (F.Cajori、1929 年)の第 622 条と 365 条
n 次積分表記は n 次導関数から演繹される。これは Methodus Incrementorum Directa & Inversa (Brook Taylor、1715) で使用できる。
^ Tu, Loring W. (2011). 多様体入門(第2版). ニューヨーク: Springer. ISBN 978-1-4419-7400-6 . OCLC 682907530.
外部リンク
微積分記号の初期の使用、Jeff Miller によって管理されています ( Wayback Machine で 2020-07-26 にアーカイブ)。