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7777777さんの「超微分とテトレーションの関係性」から無限テトレーションの超微分を考える

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超微分の記事まとめ

超微分が初耳の方向けにここのリンクから相関図が見られます。
https://mathlog.info/articles/Q7KACeNr9oiYUEvORNSI , 7777777

はじめに

「超微分の記事を何か書きたいな~」と思って, 題材を探していたのですが, 超微分の創造主である7777777さんの 超微分とテトレーションの関係性 に登場する漸化式がもう少し計算を進められると思ったので, それの計算と無限テトレーションの超微分について書きます.

まとめ記事の並べ順の立ち位置的には, 22+αくらいに当たる記事になるかなと思っています.

定義, 定理

超導関数

関数f:[a,b]Rは任意のx[a,b]について, f(x)>0を満たす.
limh1loghxxf(hx)f(x)=limh1loghf(hx)f(x)
fの超導関数といい, f(x)と表す.

超導関数の変換公式

f(x)=xf(x)f(x)

超微分可能性

f(a)>0,a0のとき, (faで微分可能)(faで超微分可能)

定理2の証明はLagu様の 超微分で微分っぽいことをする にて解説しています.

目的1: テトレーションの超微分

nN{0}に対して, 関数fn(x)
fn(x):={1(n=0)xfn1(x)(x>0,n>0)
と定める. このとき, fn(x)を求めたい.

7777777さんの記事の復習とその先の計算

fn(x)の漸化式を求める

n=0のとき

fn(x)=0,fn(x)=xf(x)f(x)よりfn(x)=0となる.

n>0のとき

fn(x)=xfn1(x)の対数を取ります.
logfn(x)=fn1(x)logx
両辺を微分して
fn(x)fn(x)=fn1(x)logx+fn1(x)x
fn(x)=fn(x){fn1(x)logx+fn1(x)x}

fn(x)fn(x)で表す

fn(x)=fn(x)fn(x)xを代入すると
fn(x)fn(x)x=fn(x){fn1(x)fn1(x)xlogx+fn1(x)x}
式を整理して
fn(x)=fn1(x)(1+fn1(x)logx)

テトレーションの超微分

fn(x):={1(n=0)xfn1(x)(x>0,n>0)
と表されるとき,
fn(x):={0(n=0)fn1(x)(1+fn1(x)logx)(x>0,n>0)

漸化式を解く(ここから本題)

次の漸化式を解きます.
fn(x):={0(n=0)fn1(x)(1+fn1(x)logx)(x>0,n>0)

階差数列を作る

漸化式fn(x)={fn1(x)logx}fn1(x)+fn1(x),f0(x)=0{fn(x)}について解きたいので, fn(x),fn1(x)の係数で階差数列を作ります.

n1に対して, 総積π(n)π(n):=k=1nfk1(x)logxと定めて, 漸化式をπ(n)で割ると
fn(x)π(n)=fn1(x)π(n1)+fn1(x)π(n)(n2)

{fn(x)π(n)}は階差数列となり,

fn(x)π(n)=f1(x)π(1)+k=2nfk1(x)π(k)
を得る.

各数値を計算する

右辺の式を整理するために各値を計算して
f1(1)=f0(x)(1+f0(x)logx)=1(1+0logx)=1
π(1)=f0(x)logx=logx
fk1(x)π(k)=fk1(x)i=1k1fi1(x)logx
これらをそれぞれに代入して
fn(x)π(n)=1logx+k=2nfk1(x)i=1k1fi1(x)logx=k=1nfk1(x)i=1k1fi1(x)logx
となる.

より簡単に

さらに計算を進めると

fn(x)=π(n)k=1nfk1(x)i=1k1fi1(x)logx
=(j=1nfj1(x)logx)(k=1nfk1(x)i=1k1fi1(x)logx)
=k=1nfk1(x)j=1nfj1(x)logxi=1kfi1(x)logx
=1logxk=1ni=knfi1(x)logx
=k=1n(logx)nki=knfi1(x)
となる. この式は1nのとき成り立ち, n=0のときはfn(x)=0となる.

テトレーションの超微分

fn(x):={1(n=0)xfn1(x)(x>0,n>0)
と表されるとき,
fn(x):={0(n=0)k=1n(logx)nki=knfi1(x)(x>0,n>0)

目的2: 無限テトレーションの超微分

定義, 定理

xの無限テトレーションは0<x1eeの区間では取り方によって, 関数が変わります. 簡単な説明としては, limx0f2n+1(0)=0,limx0f2n(0)=1となるからです. 次の超微分で求まる関数を0<x1eeで考えた場合はf(x)=limnf2n+1(x)として, 定義してください.

無限テトレーションの超微分

f(x)=xxx(1eexe1e)とする.
f(x)=eW(logx),f1(x)=x1xと表せる.
f(x)=f(x)1f(x)logx
f(x)={eW0(logx)1eW0(logx)logx(1ef(x)e)eW1(logx)1eW1(logx)logx(ef(x))
f(f1(x))=f(x1x)=x1logx

ランベルトのW関数

1xにおけるxexの逆関数を主枝W0:[1e,)[1,)とし, x1におけるxexの逆関数を分枝W1:[1e,0)(,1]と定義する.

Lambert's W function Lambert's W function

f(x)を残した形でf(x)を表す

xの無限テトレーションはy=f(x)=xxxである.
y=xxxy=xylogy=ylogx
両辺をxで微分して
yy=ylogx+yxy=y2x(1ylogx)
f(x)=xf(x)f(x)より, f(x)=xf(x)f2(x)x(1f(x)logx)=f(x)1f(x)logx

f(x)をランベルトのW関数で表す

y=xxxy=xylogy=ylogx1ylogy=logx
両辺を1倍して
1ylog1y=(log1y)elog1y=log1x
ランベルトのW関数で両辺を取ると
W((log1y)elog1y)=log1y=W(log1x)
logy=W(logx)
y=eW(logx)=f(x)となる.

f(x)=f(x)1f(x)logxに代入して
f(x)=eW(logx)1eW(logx)logx

逆関数を使って表す

y=xxxy=xylogy=ylogxx=y1y
f1(x)=x1x

逆関数の概形からf(x)の収束半径は0xe1eと分かる.

合成関数の微分の性質から, f(f1(x))=xを微分すると
ddxf1(x)f(f1(x))=1

logf1(x)=1xlogxを微分すると
ddxf1(x)f1(x)=1logxx2ddxf1(x)=(1logx)x1xx2となるから
f(f1(x))=x2(1logx)x1x

f(x)=xf(x)f(x)より
f(f1(x))=f1(x)f(f1(x))x2(1logx)x1x=x1logx
となる.

おわりに

テトレーションの超微分を考えましたが, 超微分の使い道がいまいち思いつかないのでどうにもこういった計算ばかりになりますね. また, 暇になったら書くつもりなのでよろしくお願いします.

投稿日:20241214
更新日:20241216
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  6. 漸化式を解く(ここから本題)
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  9. f(x)を残した形でf(x)を表す
  10. f(x)をランベルトのW関数で表す
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