与えられた複数の関数について、それぞれの導関数を求める。

解析学微分導関数合成関数の微分積の微分対数微分逆三角関数
2025/7/30

1. 問題の内容

与えられた複数の関数について、それぞれの導関数を求める。

2. 解き方の手順

各関数の導関数を求める手順は以下の通りです。
(1) f(x)=(x2+1)5(x32)3f(x) = (x^2+1)^5 (x^3-2)^3
積の微分法と合成関数の微分法を用いる。
f(x)=5(x2+1)4(2x)(x32)3+(x2+1)53(x32)2(3x2)f'(x) = 5(x^2+1)^4(2x)(x^3-2)^3 + (x^2+1)^5 3(x^3-2)^2(3x^2)
=10x(x2+1)4(x32)3+9x2(x2+1)5(x32)2= 10x(x^2+1)^4(x^3-2)^3 + 9x^2(x^2+1)^5(x^3-2)^2
=x(x2+1)4(x32)2[10(x32)+9x(x2+1)]= x(x^2+1)^4(x^3-2)^2[10(x^3-2) + 9x(x^2+1)]
=x(x2+1)4(x32)2(19x3+9x20)= x(x^2+1)^4(x^3-2)^2(19x^3 + 9x - 20)
(2) f(x)=log(logx)f(x) = \log(\log x)
合成関数の微分法を用いる。
f(x)=1logx1x=1xlogxf'(x) = \frac{1}{\log x} \cdot \frac{1}{x} = \frac{1}{x\log x}
(3) f(x)=2xf(x) = 2^x
f(x)=2xlog2f'(x) = 2^x \log 2
(4) f(x)=x3(x2+1)3/2f(x) = x^3 (x^2+1)^{3/2}
積の微分法と合成関数の微分法を用いる。
f(x)=3x2(x2+1)3/2+x332(x2+1)1/2(2x)f'(x) = 3x^2 (x^2+1)^{3/2} + x^3 \frac{3}{2} (x^2+1)^{1/2} (2x)
=3x2(x2+1)3/2+3x4(x2+1)1/2= 3x^2 (x^2+1)^{3/2} + 3x^4 (x^2+1)^{1/2}
=3x2(x2+1)1/2[x2+1+x2]=3x2(x2+1)1/2(2x2+1)= 3x^2 (x^2+1)^{1/2} [x^2+1+x^2] = 3x^2(x^2+1)^{1/2}(2x^2+1)
(5) f(x)=exxf(x) = e^{x^x}
y=xxy = x^xとおくと logy=xlogx\log y = x \log x
yy=logx+1\frac{y'}{y} = \log x + 1
y=xx(logx+1)y' = x^x (\log x + 1)
f(x)=exx(xx(logx+1))f'(x) = e^{x^x} (x^x(\log x + 1))
(6) f(x)=(sinx)cosxf(x) = (\sin x)^{\cos x}
両辺の対数をとると logf(x)=cosxlog(sinx)\log f(x) = \cos x \log(\sin x)
両辺を微分すると
f(x)f(x)=sinxlog(sinx)+cosxcosxsinx\frac{f'(x)}{f(x)} = -\sin x \log(\sin x) + \cos x \frac{\cos x}{\sin x}
f(x)=(sinx)cosx(cos2xsinxsinxlog(sinx))f'(x) = (\sin x)^{\cos x} \left( \frac{\cos^2 x}{\sin x} - \sin x \log(\sin x) \right)
(7) f(x)=sin1(x3+1)f(x) = \sin^{-1} (x^3+1)
定義域に注意。1x3+11-1 \le x^3 + 1 \le 1 より 2x30-2 \le x^3 \le 0, 23x0-\sqrt[3]{2} \le x \le 0
f(x)=11(x3+1)2(3x2)=3x2x62x3f'(x) = \frac{1}{\sqrt{1 - (x^3+1)^2}} (3x^2) = \frac{3x^2}{\sqrt{-x^6 - 2x^3}}
(8) f(x)=tan1(1x21+x2)f(x) = \tan^{-1} (\frac{1-x^2}{1+x^2})
f(x)=11+(1x21+x2)22x(1+x2)2x(1x2)(1+x2)2f'(x) = \frac{1}{1+(\frac{1-x^2}{1+x^2})^2} \cdot \frac{-2x(1+x^2) - 2x(1-x^2)}{(1+x^2)^2}
=(1+x2)2(1+x2)2+(1x2)24x(1+x2)2=4x2+2x4=2x1+x4 = \frac{(1+x^2)^2}{(1+x^2)^2+(1-x^2)^2} \cdot \frac{-4x}{(1+x^2)^2} = \frac{-4x}{2+2x^4} = \frac{-2x}{1+x^4}
(9) f(x)=1+2logxf(x) = \sqrt{1+2\log x}
f(x)=121+2logx2x=1x1+2logxf'(x) = \frac{1}{2\sqrt{1+2\log x}} \cdot \frac{2}{x} = \frac{1}{x\sqrt{1+2\log x}}
(10) f(x)=exp(tan1x)=etan1xf(x) = \exp(\tan^{-1} x) = e^{\tan^{-1} x}
f(x)=etan1x11+x2=etan1x1+x2f'(x) = e^{\tan^{-1} x} \cdot \frac{1}{1+x^2} = \frac{e^{\tan^{-1} x}}{1+x^2}
(11) f(x)=xa2x2+a2sin1xaf(x) = x\sqrt{a^2 - x^2} + a^2 \sin^{-1} \frac{x}{a} (a>0a > 0)
f(x)=a2x2+x2x2a2x2+a211x2a21af'(x) = \sqrt{a^2 - x^2} + x \frac{-2x}{2\sqrt{a^2-x^2}} + a^2 \frac{1}{\sqrt{1-\frac{x^2}{a^2}}} \cdot \frac{1}{a}
=a2x2x2a2x2+a2a2x2= \sqrt{a^2-x^2} - \frac{x^2}{\sqrt{a^2-x^2}} + \frac{a^2}{\sqrt{a^2-x^2}}
=a2x2x2+a2a2x2=2(a2x2)a2x2=2a2x2= \frac{a^2 - x^2 - x^2 + a^2}{\sqrt{a^2-x^2}} = \frac{2(a^2 - x^2)}{\sqrt{a^2-x^2}} = 2\sqrt{a^2-x^2}
(12) f(x)=sin1x1+x2f(x) = \sin^{-1} \frac{x}{\sqrt{1+x^2}}
f(x)=11x21+x21+x2x2x21+x21+x2=1+x21+x2x21+x2x2(1+x2)1+x2=11+x2f'(x) = \frac{1}{\sqrt{1-\frac{x^2}{1+x^2}}} \cdot \frac{\sqrt{1+x^2} - x \cdot \frac{2x}{2\sqrt{1+x^2}}}{1+x^2} = \frac{\sqrt{1+x^2}}{\sqrt{1+x^2-x^2}} \cdot \frac{1+x^2-x^2}{(1+x^2)\sqrt{1+x^2}} = \frac{1}{1+x^2}
(13) f(x)=2cos1x+12f(x) = 2\cos^{-1} \sqrt{\frac{x+1}{2}}
f(x)=211x+1212x+12=11x21x+12=11x2x+12=21x2f'(x) = 2 \cdot \frac{-1}{\sqrt{1-\frac{x+1}{2}}} \cdot \frac{1}{2\sqrt{\frac{x+1}{2}}} = \frac{-1}{\sqrt{\frac{1-x}{2}}} \cdot \frac{1}{\sqrt{\frac{x+1}{2}}} = \frac{-1}{\sqrt{\frac{1-x}{2}\cdot\frac{x+1}{2}}} = \frac{-2}{\sqrt{1-x^2}}
(14) f(x)=(x1)(x2)(x3)(x4)f(x) = \sqrt{\frac{(x-1)(x-2)}{(x-3)(x-4)}}
logf(x)=12[log(x1)+log(x2)log(x3)log(x4)]\log f(x) = \frac{1}{2} [\log(x-1) + \log(x-2) - \log(x-3) - \log(x-4)]
f(x)f(x)=12(1x1+1x21x31x4)\frac{f'(x)}{f(x)} = \frac{1}{2} \left( \frac{1}{x-1} + \frac{1}{x-2} - \frac{1}{x-3} - \frac{1}{x-4} \right)
f(x)=(x1)(x2)(x3)(x4)12(1x1+1x21x31x4)f'(x) = \sqrt{\frac{(x-1)(x-2)}{(x-3)(x-4)}} \cdot \frac{1}{2} \left( \frac{1}{x-1} + \frac{1}{x-2} - \frac{1}{x-3} - \frac{1}{x-4} \right)
=12(x1)(x2)(x3)(x4)(x2)(x3)(x4)+(x1)(x3)(x4)(x1)(x2)(x4)(x1)(x2)(x3)(x1)(x2)(x3)(x4)= \frac{1}{2}\sqrt{\frac{(x-1)(x-2)}{(x-3)(x-4)}} \cdot \frac{(x-2)(x-3)(x-4)+(x-1)(x-3)(x-4)-(x-1)(x-2)(x-4)-(x-1)(x-2)(x-3)}{(x-1)(x-2)(x-3)(x-4)}
=12((x2)(x3)(x4)+(x1)(x3)(x4)(x1)(x2)(x4)(x1)(x2)(x3))(x1)(x2)(x3)(x4)= \frac{1}{2} \frac{((x-2)(x-3)(x-4)+(x-1)(x-3)(x-4)-(x-1)(x-2)(x-4)-(x-1)(x-2)(x-3))}{\sqrt{(x-1)(x-2)(x-3)(x-4)}}
分子は 2x2+10x11-2x^2+10x-11なので
=2x2+10x112(x1)(x2)(x3)(x4)= \frac{-2x^2+10x-11}{2\sqrt{(x-1)(x-2)(x-3)(x-4)}}
(15) f(x)=x2+1(x1)23f(x) = \sqrt[3]{\frac{x^2+1}{(x-1)^2}}
logf(x)=13[log(x2+1)2log(x1)]\log f(x) = \frac{1}{3} [\log(x^2+1) - 2\log(x-1)]
f(x)f(x)=13(2xx2+12x1)=23(xx2+11x1)\frac{f'(x)}{f(x)} = \frac{1}{3} \left( \frac{2x}{x^2+1} - \frac{2}{x-1} \right) = \frac{2}{3} \left( \frac{x}{x^2+1} - \frac{1}{x-1} \right)
f(x)=x2+1(x1)2323(x(x1)(x2+1)(x2+1)(x1))=x2+1(x1)2323x1(x2+1)(x1)=2(x+1)3(x2+1)2(x1)53f'(x) = \sqrt[3]{\frac{x^2+1}{(x-1)^2}} \cdot \frac{2}{3} \left( \frac{x(x-1) - (x^2+1)}{(x^2+1)(x-1)} \right) = \sqrt[3]{\frac{x^2+1}{(x-1)^2}} \cdot \frac{2}{3} \frac{-x-1}{(x^2+1)(x-1)} = \frac{-2(x+1)}{3\sqrt[3]{(x^2+1)^2 (x-1)^5}}
(16) f(x)=sinhxf(x) = \sinh x
f(x)=coshxf'(x) = \cosh x
(17) f(x)=coshxf(x) = \cosh x
f(x)=sinhxf'(x) = \sinh x
(18) f(x)=tanhxf(x) = \tanh x
f(x)=1cosh2x=sech2xf'(x) = \frac{1}{\cosh^2 x} = \operatorname{sech}^2 x

3. 最終的な答え

(1) x(x2+1)4(x32)2(19x3+9x20)x(x^2+1)^4(x^3-2)^2(19x^3 + 9x - 20)
(2) 1xlogx\frac{1}{x\log x}
(3) 2xlog22^x \log 2
(4) 3x2(x2+1)1/2(2x2+1)3x^2(x^2+1)^{1/2}(2x^2+1)
(5) exx(xx(logx+1))e^{x^x} (x^x(\log x + 1))
(6) (sinx)cosx(cos2xsinxsinxlog(sinx))(\sin x)^{\cos x} \left( \frac{\cos^2 x}{\sin x} - \sin x \log(\sin x) \right)
(7) 3x2x62x3\frac{3x^2}{\sqrt{-x^6 - 2x^3}}
(8) 2x1+x4\frac{-2x}{1+x^4}
(9) 1x1+2logx\frac{1}{x\sqrt{1+2\log x}}
(10) etan1x1+x2\frac{e^{\tan^{-1} x}}{1+x^2}
(11) 2a2x22\sqrt{a^2-x^2}
(12) 11+x2\frac{1}{1+x^2}
(13) 21x2\frac{-2}{\sqrt{1-x^2}}
(14) 2x2+10x112(x1)(x2)(x3)(x4)\frac{-2x^2+10x-11}{2\sqrt{(x-1)(x-2)(x-3)(x-4)}}
(15) 2(x+1)3(x2+1)2(x1)53\frac{-2(x+1)}{3\sqrt[3]{(x^2+1)^2 (x-1)^5}}
(16) coshx\cosh x
(17) sinhx\sinh x
(18) 1cosh2x=sech2x\frac{1}{\cosh^2 x} = \operatorname{sech}^2 x

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