$n \ge 1$ とする。以下の関数 $f(x)$ の $n$ 階導関数 $f^{(n)}(x)$ を求めよ。 1) $f(x) = \frac{3^3}{(1+3x)^4}$ 2) $f(x) = e^{-2x} (2 \cos^2(x+\frac{\pi}{36}) - 1)$ 3) $f(x) = x^2 \cdot 4^x$ 4) $f(x) = 8 \sin^2 x (1 - \sin^2 x)$ 5) $f(x) = \frac{12}{(x+1)(x+2)(x+3)(x+4)}$

解析学導関数微分高階導関数
2025/5/18

1. 問題の内容

n1n \ge 1 とする。以下の関数 f(x)f(x)nn 階導関数 f(n)(x)f^{(n)}(x) を求めよ。
1) f(x)=33(1+3x)4f(x) = \frac{3^3}{(1+3x)^4}
2) f(x)=e2x(2cos2(x+π36)1)f(x) = e^{-2x} (2 \cos^2(x+\frac{\pi}{36}) - 1)
3) f(x)=x24xf(x) = x^2 \cdot 4^x
4) f(x)=8sin2x(1sin2x)f(x) = 8 \sin^2 x (1 - \sin^2 x)
5) f(x)=12(x+1)(x+2)(x+3)(x+4)f(x) = \frac{12}{(x+1)(x+2)(x+3)(x+4)}

2. 解き方の手順

1) f(x)=33(1+3x)4=27(1+3x)4f(x) = \frac{3^3}{(1+3x)^4} = 27 (1+3x)^{-4}
f(x)=27(4)(1+3x)5(3)=27(4)(3)(1+3x)5f'(x) = 27(-4)(1+3x)^{-5}(3) = 27(-4)(3)(1+3x)^{-5}
f(x)=27(4)(5)(3)2(1+3x)6f''(x) = 27(-4)(-5)(3)^2 (1+3x)^{-6}
f(n)(x)=27(1)n(4)(5)(n+3)(3)n(1+3x)(n+4)=27(1)n(n+3)!3!3n(1+3x)(n+4)f^{(n)}(x) = 27(-1)^n (4)(5) \cdots (n+3) (3)^n (1+3x)^{-(n+4)} = 27(-1)^n \frac{(n+3)!}{3!} 3^n (1+3x)^{-(n+4)}
f(n)(x)=27(1)n(n+3)!63n(1+3x)(n+4)=(1)n92(n+3)!3n(1+3x)(n+4)f^{(n)}(x) = 27(-1)^n \frac{(n+3)!}{6} 3^n (1+3x)^{-(n+4)} = (-1)^n \frac{9}{2} (n+3)! 3^n (1+3x)^{-(n+4)}
f(n)(x)=(1)n(n+3)!3n+22(1+3x)n+4f^{(n)}(x) = (-1)^n \frac{(n+3)! 3^{n+2}}{2(1+3x)^{n+4}}
2) f(x)=e2x(2cos2(x+π36)1)=e2xcos(2x+π18)f(x) = e^{-2x} (2 \cos^2(x+\frac{\pi}{36}) - 1) = e^{-2x} \cos(2x + \frac{\pi}{18})
f(x)=2e2xcos(2x+π18)2e2xsin(2x+π18)=2e2x(cos(2x+π18)sin(2x+π18))f'(x) = -2 e^{-2x} \cos(2x+\frac{\pi}{18}) - 2 e^{-2x} \sin(2x+\frac{\pi}{18}) = 2 e^{-2x} (-\cos(2x+\frac{\pi}{18}) - \sin(2x+\frac{\pi}{18}))
f(x)=2e2x(cos(2x+π18)sin(2x+π18))=2e2x2(12cos(2x+π18)12sin(2x+π18))=22e2xcos(2x+π18+3π4)f'(x) = 2 e^{-2x} (-\cos(2x+\frac{\pi}{18}) - \sin(2x+\frac{\pi}{18})) = 2 e^{-2x} \sqrt{2} (-\frac{1}{\sqrt{2}}\cos(2x+\frac{\pi}{18}) - \frac{1}{\sqrt{2}} \sin(2x+\frac{\pi}{18})) = 2\sqrt{2} e^{-2x} \cos(2x+\frac{\pi}{18} + \frac{3\pi}{4})
f(x)=22e2xcos(2x+π18+5π4)f'(x) = 2\sqrt{2} e^{-2x} \cos(2x+\frac{\pi}{18} + \frac{5\pi}{4})
f(n)(x)=(22)ne2xcos(2x+π18+nπ4)=2n/2e2x2n/2cos(2x+π18+nπ4)f^{(n)}(x) = (2\sqrt{2})^n e^{-2x} \cos(2x + \frac{\pi}{18} + \frac{n \pi}{4}) = 2^{n/2} e^{-2x} 2^{n/2} \cos(2x+\frac{\pi}{18}+\frac{n\pi}{4})
f(n)(x)=2ne2xcos(2x+π18+nπ4)f^{(n)}(x) = 2^{n} e^{-2x} \cos(2x+\frac{\pi}{18}+\frac{n\pi}{4})
3) f(x)=x24x=x2exln4f(x) = x^2 \cdot 4^x = x^2 e^{x \ln 4}
f(x)=2x4x+x24xln4=4x(x2ln4+2x)f'(x) = 2x \cdot 4^x + x^2 \cdot 4^x \ln 4 = 4^x (x^2 \ln 4 + 2x)
f(x)=4xln4(x2ln4+2x)+4x(2xln4+2)f''(x) = 4^x \ln 4 (x^2 \ln 4 + 2x) + 4^x (2x \ln 4 + 2)
f(x)=4x(x2(ln4)2+4xln4+2)f''(x) = 4^x (x^2 (\ln 4)^2 + 4x \ln 4 + 2)
f(x)=4xln4(x2(ln4)2+4xln4+2)+4x(2x(ln4)2+4ln4)f'''(x) = 4^x \ln 4 (x^2 (\ln 4)^2 + 4x \ln 4 + 2) + 4^x (2x (\ln 4)^2 + 4 \ln 4)
f(x)=4x(x2(ln4)3+6x(ln4)2+6ln4)f'''(x) = 4^x (x^2 (\ln 4)^3 + 6 x (\ln 4)^2 + 6 \ln 4)
f(n)(x)=4x(x2(ln4)n+2nx(ln4)n1+n(n1)(ln4)n2)f^{(n)}(x) = 4^x (x^2 (\ln 4)^n + 2nx (\ln 4)^{n-1} + n(n-1) (\ln 4)^{n-2})
4) f(x)=8sin2x(1sin2x)=8sin2xcos2x=2(2sinxcosx)2=2(sin2x)2=21cos4x2=1cos4xf(x) = 8 \sin^2 x (1 - \sin^2 x) = 8 \sin^2 x \cos^2 x = 2 (2 \sin x \cos x)^2 = 2 (\sin 2x)^2 = 2 \cdot \frac{1 - \cos 4x}{2} = 1 - \cos 4x
f(x)=4sin4xf'(x) = 4 \sin 4x
f(x)=16cos4xf''(x) = 16 \cos 4x
f(n)(x)=4n(cos(4x+nπ2))f^{(n)}(x) = 4^n (-\cos (4x + n \frac{\pi}{2})) if n is even.
f(n)(x)=4nsin(4x+(n1)π2))f^{(n)}(x) = 4^n \sin (4x + (n-1) \frac{\pi}{2})) if n is odd.
f(n)(x)=4n(cos4x)=4ncos4xf^{(n)}(x) = 4^n (-\cos 4x) = -4^n \cos 4x when n is even, and
f(n)(x)=4nsin4xf^{(n)}(x) = 4^n \sin 4x when n is odd.
Therefore, f(n)(x)=4nsin(4x+nπ2)f^{(n)}(x) = 4^n \sin (4x + \frac{n\pi}{2})
5) f(x)=12(x+1)(x+2)(x+3)(x+4)f(x) = \frac{12}{(x+1)(x+2)(x+3)(x+4)}
f(x)=Ax+1+Bx+2+Cx+3+Dx+4f(x) = \frac{A}{x+1} + \frac{B}{x+2} + \frac{C}{x+3} + \frac{D}{x+4}
12=A(x+2)(x+3)(x+4)+B(x+1)(x+3)(x+4)+C(x+1)(x+2)(x+4)+D(x+1)(x+2)(x+3)12 = A(x+2)(x+3)(x+4) + B(x+1)(x+3)(x+4) + C(x+1)(x+2)(x+4) + D(x+1)(x+2)(x+3)
x=1:12=A(1)(2)(3)    A=2x = -1: 12 = A(1)(2)(3) \implies A = 2
x=2:12=B(1)(1)(2)    B=6x = -2: 12 = B(-1)(1)(2) \implies B = -6
x=3:12=C(2)(1)(1)    C=6x = -3: 12 = C(-2)(-1)(1) \implies C = 6
x=4:12=D(3)(2)(1)    D=2x = -4: 12 = D(-3)(-2)(-1) \implies D = -2
f(x)=2x+16x+2+6x+32x+4f(x) = \frac{2}{x+1} - \frac{6}{x+2} + \frac{6}{x+3} - \frac{2}{x+4}
f(n)(x)=2(1)nn!(x+1)(n+1)6(1)nn!(x+2)(n+1)+6(1)nn!(x+3)(n+1)2(1)nn!(x+4)(n+1)f^{(n)}(x) = 2 (-1)^n n! (x+1)^{-(n+1)} - 6(-1)^n n! (x+2)^{-(n+1)} + 6(-1)^n n! (x+3)^{-(n+1)} - 2(-1)^n n! (x+4)^{-(n+1)}
f(n)(x)=(1)nn![2(x+1)n+16(x+2)n+1+6(x+3)n+12(x+4)n+1]f^{(n)}(x) = (-1)^n n! \left[ \frac{2}{(x+1)^{n+1}} - \frac{6}{(x+2)^{n+1}} + \frac{6}{(x+3)^{n+1}} - \frac{2}{(x+4)^{n+1}} \right]

3. 最終的な答え

1) f(n)(x)=(1)n(n+3)!3n+22(1+3x)n+4f^{(n)}(x) = (-1)^n \frac{(n+3)! 3^{n+2}}{2(1+3x)^{n+4}}
2) f(n)(x)=2ne2xcos(2x+π18+nπ4)f^{(n)}(x) = 2^{n} e^{-2x} \cos(2x+\frac{\pi}{18}+\frac{n\pi}{4})
3) f(n)(x)=4x(x2(ln4)n+2nx(ln4)n1+n(n1)(ln4)n2)f^{(n)}(x) = 4^x (x^2 (\ln 4)^n + 2nx (\ln 4)^{n-1} + n(n-1) (\ln 4)^{n-2})
4) f(n)(x)=4nsin(4x+nπ2)f^{(n)}(x) = 4^n \sin (4x + \frac{n\pi}{2})
5) f(n)(x)=(1)nn![2(x+1)n+16(x+2)n+1+6(x+3)n+12(x+4)n+1]f^{(n)}(x) = (-1)^n n! \left[ \frac{2}{(x+1)^{n+1}} - \frac{6}{(x+2)^{n+1}} + \frac{6}{(x+3)^{n+1}} - \frac{2}{(x+4)^{n+1}} \right]

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