与えられた8つの関数に対して、$n$次導関数($n \ge 1$)を求める問題です。

解析学導関数微分ライプニッツの公式
2025/8/2

1. 問題の内容

与えられた8つの関数に対して、nn次導関数(n1n \ge 1)を求める問題です。

2. 解き方の手順

(1) y=11+x=(1+x)1y = \frac{1}{1+x} = (1+x)^{-1}
y=1(1+x)2y' = -1 (1+x)^{-2}
y=(1)(2)(1+x)3y'' = (-1)(-2) (1+x)^{-3}
y=(1)(2)(3)(1+x)4y''' = (-1)(-2)(-3) (1+x)^{-4}
...
y(n)=(1)nn!(1+x)(n+1)=(1)nn!(1+x)n+1y^{(n)} = (-1)^n n! (1+x)^{-(n+1)} = \frac{(-1)^n n!}{(1+x)^{n+1}}
(2) y=log(1x)y = \log(1-x)
y=11x=(1x)1y' = \frac{-1}{1-x} = -(1-x)^{-1}
y=(1)(1)(1x)2=(1x)2y'' = -(-1)(-1) (1-x)^{-2} = -(1-x)^{-2}
y=(2)(1)(1x)3=2(1x)3y''' = -(-2) (-1) (1-x)^{-3} = -2 (1-x)^{-3}
...
y(n)=(n1)!(1x)n=(n1)!(1x)ny^{(n)} = -(n-1)! (1-x)^{-n} = -\frac{(n-1)!}{(1-x)^n}
(3) y=(1+x)ay = (1+x)^a (aaは定数)
y=a(1+x)a1y' = a(1+x)^{a-1}
y=a(a1)(1+x)a2y'' = a(a-1)(1+x)^{a-2}
y=a(a1)(a2)(1+x)a3y''' = a(a-1)(a-2)(1+x)^{a-3}
...
y(n)=a(a1)(a2)(an+1)(1+x)any^{(n)} = a(a-1)(a-2) \dots (a-n+1) (1+x)^{a-n}
(4) y=x2e2xy = x^2 e^{2x}
y=2xe2x+x2(2e2x)=2xe2x+2x2e2x=(2x2+2x)e2xy' = 2x e^{2x} + x^2 (2e^{2x}) = 2x e^{2x} + 2x^2 e^{2x} = (2x^2 + 2x) e^{2x}
y=(4x+2)e2x+(2x2+2x)2e2x=(4x+2+4x2+4x)e2x=(4x2+8x+2)e2xy'' = (4x + 2)e^{2x} + (2x^2 + 2x) 2e^{2x} = (4x + 2 + 4x^2 + 4x) e^{2x} = (4x^2 + 8x + 2) e^{2x}
y=(8x+8)e2x+(4x2+8x+2)2e2x=(8x+8+8x2+16x+4)e2x=(8x2+24x+12)e2xy''' = (8x + 8)e^{2x} + (4x^2 + 8x + 2) 2e^{2x} = (8x+8 + 8x^2 + 16x + 4)e^{2x} = (8x^2+24x+12)e^{2x}
一般のライプニッツの公式を使うと、
(uv)(n)=k=0n(nk)u(k)v(nk)(uv)^{(n)} = \sum_{k=0}^n \binom{n}{k} u^{(k)} v^{(n-k)}
ここでu=x2u = x^2, v=e2xv = e^{2x}とすると、
u=2xu' = 2x, u=2u'' = 2, u(k)=0u^{(k)} = 0 for k3k \ge 3.
v(n)=2ne2xv^{(n)} = 2^n e^{2x}.
よって、
y(n)=(n0)x22ne2x+(n1)2x2n1e2x+(n2)22n2e2x=e2x(x22n+n2x2n1+n(n1)222n2)=e2x(2nx2+n2nx+n(n1)2n2)=2n2e2x(4x2+4nx+n(n1))y^{(n)} = \binom{n}{0} x^2 2^n e^{2x} + \binom{n}{1} 2x 2^{n-1} e^{2x} + \binom{n}{2} 2 \cdot 2^{n-2} e^{2x} = e^{2x} (x^2 2^n + n \cdot 2x \cdot 2^{n-1} + \frac{n(n-1)}{2} \cdot 2 \cdot 2^{n-2}) = e^{2x} (2^n x^2 + n 2^n x + n(n-1) 2^{n-2}) = 2^{n-2} e^{2x} (4x^2 + 4nx + n(n-1))
(5) y=3x(x2+x)=3x3+3x2y = 3x(x^2 + x) = 3x^3 + 3x^2
y=9x2+6xy' = 9x^2 + 6x
y=18x+6y'' = 18x + 6
y=18y''' = 18
y(4)=0y^{(4)} = 0
...
y(n)=0y^{(n)} = 0 for n4n \ge 4.
y(1)=9x2+6xy^{(1)} = 9x^2 + 6x, y(2)=18x+6y^{(2)} = 18x+6, y(3)=18y^{(3)} = 18.
(6) y=x2cos(2x)y = x^2 \cos(2x)
y=2xcos(2x)2x2sin(2x)y' = 2x \cos(2x) - 2x^2 \sin(2x)
y=2cos(2x)4xsin(2x)4xsin(2x)4x2cos(2x)=(24x2)cos(2x)8xsin(2x)y'' = 2 \cos(2x) - 4x \sin(2x) - 4x \sin(2x) - 4x^2 \cos(2x) = (2 - 4x^2)\cos(2x) - 8x \sin(2x)
ライプニッツの公式を使う. u=x2,v=cos(2x)u = x^2, v = \cos(2x)
u=2xu' = 2x, u=2u'' = 2, u(k)=0u^{(k)} = 0 for k3k \ge 3.
v(n)=2ncos(2x+nπ2)v^{(n)} = 2^n \cos(2x + \frac{n\pi}{2})
y(n)=k=0n(nk)u(k)v(nk)=(n0)x22ncos(2x+nπ2)+(n1)2x2n1cos(2x+(n1)π2)+(n2)22n2cos(2x+(n2)π2)=x22ncos(2x+nπ2)+n2nxcos(2x+(n1)π2)+n(n1)2n2cos(2x+(n2)π2)y^{(n)} = \sum_{k=0}^n \binom{n}{k} u^{(k)} v^{(n-k)} = \binom{n}{0} x^2 2^n \cos(2x + \frac{n\pi}{2}) + \binom{n}{1} 2x 2^{n-1} \cos(2x + \frac{(n-1)\pi}{2}) + \binom{n}{2} 2 \cdot 2^{n-2} \cos(2x + \frac{(n-2)\pi}{2}) = x^2 2^n \cos(2x + \frac{n\pi}{2}) + n 2^n x \cos(2x + \frac{(n-1)\pi}{2}) + n(n-1) 2^{n-2} \cos(2x + \frac{(n-2)\pi}{2})
(7) y=1x2x2=1(x2)(x+1)=13(1x21x+1)y = \frac{1}{x^2 - x - 2} = \frac{1}{(x-2)(x+1)} = \frac{1}{3} (\frac{1}{x-2} - \frac{1}{x+1})
y=13[(x2)2+(x+1)2]y' = \frac{1}{3} [-(x-2)^{-2} + (x+1)^{-2}]
y=13[2(x2)32(x+1)3]y'' = \frac{1}{3} [2(x-2)^{-3} - 2(x+1)^{-3}]
y=13[6(x2)4+6(x+1)4]y''' = \frac{1}{3} [-6(x-2)^{-4} + 6(x+1)^{-4}]
...
y(n)=13[(1)nn!(x2)(n+1)(1)nn!(x+1)(n+1)]=(1)nn!3[1(x2)n+11(x+1)n+1]y^{(n)} = \frac{1}{3} [(-1)^n n! (x-2)^{-(n+1)} - (-1)^n n! (x+1)^{-(n+1)}] = \frac{(-1)^n n!}{3} [ \frac{1}{(x-2)^{n+1}} - \frac{1}{(x+1)^{n+1}}]
(8) y=ex1xy = \frac{e^x}{1-x}
y=ex(1x)+ex(1x)2=exxex+ex(1x)2=2exxex(1x)2y' = \frac{e^x (1-x) + e^x}{(1-x)^2} = \frac{e^x - xe^x + e^x}{(1-x)^2} = \frac{2e^x - xe^x}{(1-x)^2}
ライプニッツの公式を使う. y=ex(1x)1y= e^x (1-x)^{-1}
y(n)=k=0n(nk)(ex)(nk)((1x)1)(k)y^{(n)} = \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} (e^x)^{(n-k)} ((1-x)^{-1})^{(k)}
y(n)=k=0n(nk)ex(1)kk!(1x)(k+1)=exk=0n(nk)(1)kk!(1x)k+1y^{(n)} = \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} e^x (-1)^k k! (1-x)^{-(k+1)} = e^x \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} \frac{(-1)^k k!}{(1-x)^{k+1}}
y(n)=exk=0nn!k!(nk)!(1)kk!(1x)k+1=exn!k=0n(1)k(nk)!(1x)k+1y^{(n)} = e^x \sum_{k=0}^n \frac{n!}{k! (n-k)!} \frac{(-1)^k k!}{(1-x)^{k+1}} = e^x n! \sum_{k=0}^n \frac{(-1)^k}{(n-k)! (1-x)^{k+1}}

3. 最終的な答え

(1) y(n)=(1)nn!(1+x)n+1y^{(n)} = \frac{(-1)^n n!}{(1+x)^{n+1}}
(2) y(n)=(n1)!(1x)ny^{(n)} = -\frac{(n-1)!}{(1-x)^n}
(3) y(n)=a(a1)(a2)(an+1)(1+x)any^{(n)} = a(a-1)(a-2) \dots (a-n+1) (1+x)^{a-n}
(4) y(n)=2n2e2x(4x2+4nx+n(n1))y^{(n)} = 2^{n-2} e^{2x} (4x^2 + 4nx + n(n-1))
(5) y=9x2+6xy' = 9x^2 + 6x, y=18x+6y'' = 18x+6, y=18y''' = 18, y(n)=0y^{(n)} = 0 for n4n \ge 4.
(6) y(n)=x22ncos(2x+nπ2)+n2nxcos(2x+(n1)π2)+n(n1)2n2cos(2x+(n2)π2)y^{(n)} = x^2 2^n \cos(2x + \frac{n\pi}{2}) + n 2^n x \cos(2x + \frac{(n-1)\pi}{2}) + n(n-1) 2^{n-2} \cos(2x + \frac{(n-2)\pi}{2})
(7) y(n)=(1)nn!3[1(x2)n+11(x+1)n+1]y^{(n)} = \frac{(-1)^n n!}{3} [ \frac{1}{(x-2)^{n+1}} - \frac{1}{(x+1)^{n+1}}]
(8) y(n)=exn!k=0n(1)k(nk)!(1x)k+1y^{(n)} = e^x n! \sum_{k=0}^n \frac{(-1)^k}{(n-k)! (1-x)^{k+1}}

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