多変数ベクトル関数の連鎖律
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定理
二つの関数 g:D⊂Rm→Rk、f:g(Rk)⊂Rk→Rnが微分可能だとしよう。すると、これら二つの関数の合成 F=f∘g:Rm→Rnも微分可能であり、Fの(全)導関数は次を満たす。
F′(x)=f′(g(x))g′(x)
解説
これを連鎖律と呼ぶ。
x=(x1,…,xm)、g(x)=(g1,…,gk)、f(g1,…,gk)=(f1,…,fn)とした場合、公式の具体的な形は全導関数の定義から次のようなn×m行列である。
F′(x)=== ∂g1∂f1(g(x))∂g1∂f2⋮∂g1∂fn∂g2∂f1∂g2∂f2⋮∂g2∂fn⋯⋯⋱⋯∂gk∂f1∂gk∂f2⋮∂gk∂fn∂x1∂g1(x)∂x1∂g2⋮∂x1∂gk∂x2∂g1∂x2∂g2⋮∂x2∂gk⋯⋯⋱⋯∂xm∂g1∂xm∂g2⋮∂xm∂gk ∂g1∂f1∂x1∂g1+∂g2∂f1∂x1∂g2+⋯+∂gk∂f1∂x1∂gk⋮∂g1∂fn∂x1∂g1+∂g2∂fn∂x1∂g2+⋯+∂gk∂fn∂x1∂gk…⋱⋯∂g1∂f1∂x1∂g1+∂g2∂f1∂xm∂g2+⋯+∂gk∂f1∂xm∂gk⋮∂g1∂fn∂x1∂g1+∂g2∂fn∂xm∂g2+⋯+∂gm∂fn∂xm∂gk ℓ=1∑k∂gℓ∂f1∂x1∂gℓ⋮ℓ=1∑k∂gℓ∂fn∂x1∂gℓ…⋱…ℓ=1∑k∂gℓ∂f1∂xm∂gℓ⋮ℓ=1∑k∂gℓ∂fn∂xm∂gℓ
アインシュタインの記法で簡単に表すと、1≤i≤n、1≤j≤mに対して
F′=[Fij′]=∂gℓ∂f1∂x1∂gℓ⋮∂gℓ∂fn∂x1∂gℓ…⋱…∂gℓ∂f1∂xm∂gℓ⋮∂gℓ∂fn∂xm∂gℓ
Fij′=∂gℓ∂fi∂xj∂gℓ
これは最も一般化された形なので、k,m,nに従って、さまざまな具体的な公式を得ることができる。
公式
ケース 1. g:R→R、f:R→R、F=f∘g:R→R
x∈R、g=g(x)、f=f(g(x))のとき、
F′=dxdF=dgdfdxdg
証明
ケース 2. g:R→Rk、f:Rk→R、F=f∘g:R→R
x∈R、g(x)=(g1,…,gk)、f=f(g1,…,gk)のとき、
F′=dxdF=ℓ=1∑k∂gℓ∂fdxdgℓ
ケース 3. g:Rm→R、f:R→R、F=f∘g:Rm→R
x=(x1,…,xn)∈Rn、g=g(x)、f=f(g(x))のとき、
F′=dxdF=[dgdf∂x1∂g…dgdf∂xm∂g]
Fj′=dgdf∂xj∂g,1≤j≤m
ケース 4. g:Rm→Rk、f:Rk→R、F=f∘g:Rm→R
x=(x1,…,xn)∈Rn、g(x)=(g1,…,gk)、f=f(g1,…,gk)のとき、
F′=dxdF=[ℓ=1∑k∂gℓ∂f∂x1∂gℓ…ℓ=1∑k∂gℓ∂f∂xm∂gℓ]
Fj′=ℓ=1∑k∂gℓ∂f∂xj∂gℓ,1≤j≤m
ケース 5. g:R→R、f:R→Rn、F=f∘g:R→Rn
x∈R、g=g(x)、f(g(x))=(f1,…,fn)のとき、
F′=dxdF=dgdf1dxdg⋮dgdfndxdg
Fi′=dgdfidxdg,1≤i≤n
ケース 6. g:R→Rk、f:Rk→Rn、F=f∘g:R→Rn
x∈R、g(x)=(g1,…,gk)、f(g1,…,gk)=(f1,…,fn)のとき、
F′=dxdF=ℓ=1∑k∂gℓ∂f1dxdgℓ⋮ℓ=1∑k∂gℓ∂fndxdgℓ
Fi′=ℓ=1∑k∂gℓ∂fidxdgℓ,1≤i≤n
ケース 7. g:Rm→R、f:R→Rn、F=f∘g:Rm→Rn
x=(x1,…,xn)∈Rn、g=g(x)、f(g(x))=(f1,…,fn)のとき、
F′=dxdF=dgdf1∂x1∂g⋮dgdfn∂x1∂g…⋱…dgdf1∂xm∂g⋮dgdfn∂xm∂g
Fij′=dgdfi∂xj∂g,1≤i≤n,1≤j≤m
ケース 8. g:Rm→Rk、f:Rk→Rn、F=f∘g:Rm→Rn
x=(x1,…,xn)∈Rn、g(x)=(g1,…,gk)、f(g1,…,gk)=(f1,…,fn)のとき、
F′=dxdF=ℓ=1∑k∂gℓ∂f1∂x1∂gℓ⋮ℓ=1∑k∂gℓ∂fn∂x1∂gℓ…⋱…ℓ=1∑k∂gℓ∂f1∂xm∂gℓ⋮ℓ=1∑k∂gℓ∂fn∂xm∂gℓ
Fij′=ℓ=1∑k∂gℓ∂fi∂xj∂gℓ,1≤i≤n,1≤j≤m
証明
一般化された証明を参照。
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