偏微分計算機

AI による step-by-step の解説付きで偏微分、混合偏微分、勾配を計算します
partial of x^2*y + sin(y) w.r.t. x
second partial of e^(xy) w.r.t. x then y
gradient of f(x,y,z) = x^2+y^2+z^2
partial of ln(x^2+y^2) with respect to x

偏微分とは何か?

偏微分は、他の変数を固定したまま、多変数関数が1つの変数に関してどのように変化するかを測ります。f(x,y)f(x, y) について:

∂f∂x=lim⁡h→0f(x+h,y)−f(x,y)h\frac{\partial f}{\partial x} = \lim_{h \to 0} \frac{f(x+h, y) - f(x, y)}{h}

記号 ∂\partial(丸まった d)は、偏微分を常微分 ddx\frac{d}{dx} と区別します。同等の記号には fxf_x、∂xf\partial_x f、DxfD_x f があります。

幾何学的意味:∂f∂x(a,b)\frac{\partial f}{\partial x}(a, b) は、(a,b)(a,b) における曲面 z=f(x,y)z = f(x,y) の xx 方向の傾きです — 接線は平面 y=by = b 上にあります。

なぜ重要か:勾配降下法、最適化、誤差伝播、そしてベクトル解析の大部分は偏微分に基づいています。勾配 ∇f=(fx,fy,fz)\nabla f = (f_x, f_y, f_z) は最も急な上昇方向を指します。

偏微分の計算方法

規則1:他の変数を定数として扱う

∂f∂x\frac{\partial f}{\partial x} を求めるには、y,z,…y, z, \ldots を定数として扱い、ff を xx の1変数関数として微分します。

例:f(x,y)=x2y+3yf(x, y) = x^2 y + 3y

  • ∂f∂x=2xy\frac{\partial f}{\partial x} = 2xy(3y3y は xx を含まないので消える)
  • ∂f∂y=x2+3\frac{\partial f}{\partial y} = x^2 + 3(x2x^2 は係数として働く)

規則2:連鎖律と積の法則も成り立つ

f(x,y)=sin⁡(xy)f(x, y) = \sin(xy) について:

∂f∂x=cos⁡(xy)⋅y\frac{\partial f}{\partial x} = \cos(xy) \cdot y

括弧内の yy は、xyxy を xx で微分するとき定数係数として扱われます。

高階偏微分

fxx=∂2f∂x2,fxy=∂2f∂y∂xf_{xx} = \frac{\partial^2 f}{\partial x^2}, \quad f_{xy} = \frac{\partial^2 f}{\partial y \partial x}

クレローの定理(混合偏微分):ff が連続な2階偏微分を持つなら、fxy=fyxf_{xy} = f_{yx} です。微分の順序は関係ありません。

勾配と方向微分

勾配は、すべての1階偏微分のベクトルです。

∇f=(∂f∂x,∂f∂y,∂f∂z)\nabla f = \left(\frac{\partial f}{\partial x}, \frac{\partial f}{\partial y}, \frac{\partial f}{\partial z}\right)

方向 u\mathbf{u}(単位ベクトル)の方向微分は:

Duf=∇f⋅uD_\mathbf{u} f = \nabla f \cdot \mathbf{u}

u\mathbf{u} が ∇f\nabla f の向きを指すとき最大になります — これが最も急な上昇方向です。

連鎖律(多変数)

z=f(x,y)z = f(x, y) かつ x=x(t),y=y(t)x = x(t), y = y(t) のとき:

dzdt=∂f∂xdxdt+∂f∂ydydt\frac{dz}{dt} = \frac{\partial f}{\partial x}\frac{dx}{dt} + \frac{\partial f}{\partial y}\frac{dy}{dt}

よくある間違い

  • 間違った変数を微分する:どの変数が「動いている」のか、どれが定数として保持されているのかを常に特定してください。下書きで動いている変数に下線を引くと役立ちます。
  • 連鎖律を忘れる:∂∂xsin⁡(xy)=ycos⁡(xy)\frac{\partial}{\partial x}\sin(xy) = y\cos(xy) であり、単に cos⁡(xy)\cos(xy) ではありません。
  • 記号の混同:fxyf_{xy} は、まず xx について、次に yy について微分することを意味します(一部の本では逆 — 規約を確認してください)。
  • 誤った勾配の向き:∇f\nabla f は最も急な上昇の向きを指し、運動の向きではありません。最小化するには ∇f\nabla f と逆向きに進みます。
  • 偏微分と全微分の混同:xx と yy がともに tt に依存するときは連鎖律を使います — ff に明示的な tt がなければゼロになる ∂f/∂t\partial f/\partial t ではありません。

Examples

Step 1: ∂f/∂x\partial f/\partial x について:yy を定数として扱う。∂f/∂x=2xy+0=2xy\partial f/\partial x = 2xy + 0 = 2xy
Step 2: ∂f/∂y\partial f/\partial y について:xx を定数として扱う。∂f/∂y=x2+3y2\partial f/\partial y = x^2 + 3y^2
Answer: fx=2xyf_x = 2xy、fy=x2+3y2f_y = x^2 + 3y^2

Step 1: 1階偏微分:fx=yexyf_x = y e^{xy}、fy=xexyf_y = x e^{xy}
Step 2: fxx=∂/∂x(yexy)=y⋅y⋅exy=y2exyf_{xx} = \partial/\partial x (y e^{xy}) = y \cdot y \cdot e^{xy} = y^2 e^{xy}
Step 3: fyy=∂/∂y(xexy)=x⋅x⋅exy=x2exyf_{yy} = \partial/\partial y (x e^{xy}) = x \cdot x \cdot e^{xy} = x^2 e^{xy}
Step 4: fxy=∂/∂y(yexy)=exy+y⋅x⋅exy=(1+xy)exyf_{xy} = \partial/\partial y (y e^{xy}) = e^{xy} + y \cdot x \cdot e^{xy} = (1 + xy)e^{xy}
Step 5: クレローの定理を確認:fyx=∂/∂x(xexy)=exy+x⋅y⋅exy=(1+xy)exyf_{yx} = \partial/\partial x (x e^{xy}) = e^{xy} + x \cdot y \cdot e^{xy} = (1 + xy)e^{xy} ✓
Answer: fxx=y2exyf_{xx} = y^2 e^{xy}、fyy=x2exyf_{yy} = x^2 e^{xy}、fxy=fyx=(1+xy)exyf_{xy} = f_{yx} = (1+xy)e^{xy}

Step 1: ∂f/∂x=2x\partial f/\partial x = 2x、∂f/∂y=2y\partial f/\partial y = 2y、∂f/∂z=2z\partial f/\partial z = 2z
Step 2: ∇f=(2x,2y,2z)\nabla f = (2x, 2y, 2z)
Step 3: (1,2,2)(1, 2, 2) で評価:∇f(1,2,2)=(2,4,4)\nabla f(1,2,2) = (2, 4, 4)
Answer: ∇f(1,2,2)=(2,4,4)\nabla f(1,2,2) = (2, 4, 4)

Frequently Asked Questions

常微分 df/dx は1変数関数に適用されます。偏微分 ∂f/∂x は多変数関数に適用され、他の変数を固定したまま1つの変数に関する変化率を測ります。

関数 f(x,y) が連続な2階偏微分を持つなら、混合偏微分は等しくなります:f_xy = f_yx。その場合、微分の順序は関係ありません。

勾配は、ある点での f の最も急な上昇方向を指すベクトルです。その大きさはその点での最大変化率です。また f の等高線や等位面に垂直です。

勾配降下法は、モデルパラメータに関する損失関数の勾配(偏微分のベクトル)を使います。アルゴリズムは損失を最小化するため、負の勾配方向にパラメータを更新します。

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