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時間微分のポイントは、合成関数であるということです

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投稿経済数学初級
経済学において、時間微分というものが出てきますが、そのポイントは、合成関数であるということです。時間という概念を考えずに、説明しています。
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 経済学において、$Y=AK$を時間微分すると、

  $ \dfrac{\dot{Y}}{Y} = \dfrac{\dot{A}}{A} + \dfrac{\dot{K}}{K}$

と変形できるといった話が出てきます。

 分かるような分からないような感じですが、ポイントは合成関数です。

 ただ、時間微分という形で、「時間」という概念が入っているから分かりにくい感じもあるので、それを抜きにして、考えてみましょう。

【一般的な微分計算(時間という概念なし)】
 例として、それぞれれが$m$の関数である次のような式を考えます。

  $Z(m) = X(m) Y(m)$

 これを対数化すると、次のようになります。

  $\ln Z(m) = \ln X(m) + \ln Y(m) \quad \cdots \quad (1)$

 ここで、合成関数のチェーン・ルールとして、次のようなものがあります。

  $ \dfrac{d \, h(f(x))}{d \, x} \, = \, h'(f(x)) \, f'(x)$
 
 $\ln X(m)$について、この式を用いるため、

  $h(m) = \ln X(m) \, , \, f(m) = X(m)$

として考えると、対数の微分式$d (\ln a) = 1/a$を用いて

  $\dfrac{d \ln X(m)}{d m} = \dfrac{d \ln X(m)}{d X(m)} \cdot \dfrac{d X(m)}{d m} = \dfrac{1}{X(m)} \cdot \dfrac{d X(m)}{d m} = \dfrac{d X(m) / d m}{X(m)}$

を得ることができます。

 同様に、$Y(m) \, , \, Z(m)$についても考えることができるので、$(1)$式は、

  $\dfrac{d Z(m) / d m}{Z(m)} = \dfrac{d X(m) / d m}{X(m)} + \dfrac{d Y(m) / d m}{Y(m)} \quad \cdots \quad (2)$

となります。

【時間微分】
 以上は、時間という概念を抜きして、純粋に数学的な問題として考えてきました。

 ところで、$(2)$式の$m$を、時間$t$としたとき、

  $\dfrac{d Z(t) / d t}{Z(t)} = \dfrac{d X(t) / d t}{X(t)} + \dfrac{d Y(t) / d t}{Y(t)}$

となり、$\dot{Z}(t) = d Z(t) / d t$、$\dot{X}(t) = d X(t) / d t$、$\dot{Y}(t) = d Y(t) / d t$とすると、

  $\dfrac{\dot{Z}(t)}{Z(t)} = \dfrac{\dot{X}(t)}{X(t)} + \dfrac{\dot{Y}(t)}{Y(t)}$

と表され、まさしく時間微分をしたときの式を得ることができます。

 このように、時間微分というと特別なことをしているようにも感じますが、単純な合成関数を用いた微分計算を行っているわけです。

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