$n \ge 1$ とする。次の関数 $f(x)$ 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) $f(x) = \frac{12}{(x+1)(x+2)(x+3)(x+4)}$

解析学導関数微分三角関数指数関数部分分数分解
2025/5/18

1. 問題の内容

n1n \ge 1 とする。次の関数 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)4f(x) = \frac{3^3}{(1+3x)^4}
まず、f(x)=27(1+3x)4f(x) = 27(1+3x)^{-4} と書き換えます。
f(x)=27(4)(1+3x)5(3)=324(1+3x)5f'(x) = 27(-4)(1+3x)^{-5}(3) = -324(1+3x)^{-5}
f(x)=324(5)(1+3x)6(3)=4860(1+3x)6f''(x) = -324(-5)(1+3x)^{-6}(3) = 4860(1+3x)^{-6}
f(x)=4860(6)(1+3x)7(3)=87480(1+3x)7f'''(x) = 4860(-6)(1+3x)^{-7}(3) = -87480(1+3x)^{-7}
一般に、f(n)(x)=27(1)n(n+3)!3!(3)n(1+3x)(n+4)f^{(n)}(x) = 27 (-1)^n \frac{(n+3)!}{3!} (3)^n (1+3x)^{-(n+4)}
したがって、
f(n)(x)=27(1)n(n+3)(n+2)(n+1)n!6(3)n(1+3x)(n+4)=(1)n92(n+3)(n+2)(n+1)3n+2(1+3x)(n+4)f^{(n)}(x) = 27 (-1)^n \frac{(n+3)(n+2)(n+1)n!}{6} (3)^n (1+3x)^{-(n+4)} = (-1)^n \frac{9}{2} (n+3)(n+2)(n+1) 3^{n+2} (1+3x)^{-(n+4)}
2) f(x)=e2x(2cos2(x+π36)1)f(x) = e^{-2x} (2\cos^2 (x + \frac{\pi}{36}) - 1)
2cos2θ1=cos2θ2\cos^2 \theta - 1 = \cos 2\theta なので、f(x)=e2xcos(2(x+π36))=e2xcos(2x+π18)f(x) = e^{-2x} \cos (2(x + \frac{\pi}{36})) = e^{-2x} \cos (2x + \frac{\pi}{18})
f(x)=2e2xcos(2x+π18)2e2xsin(2x+π18)=2e2x[cos(2x+π18)+sin(2x+π18)]f'(x) = -2e^{-2x} \cos (2x + \frac{\pi}{18}) - 2e^{-2x} \sin (2x + \frac{\pi}{18}) = -2 e^{-2x} [\cos (2x + \frac{\pi}{18}) + \sin (2x + \frac{\pi}{18})]
f(n)(x)=(22)ne2xcos(2x+π18+nπ4)=2n+n2e2xcos(2x+π18+nπ4)f^{(n)}(x) = (2\sqrt{2})^n e^{-2x} \cos (2x + \frac{\pi}{18} + \frac{n\pi}{4}) = 2^{n+\frac{n}{2}} e^{-2x} \cos (2x + \frac{\pi}{18} + \frac{n\pi}{4})
3) f(x)=x24xf(x) = x^2 \cdot 4^x
f(x)=x2exln4f(x) = x^2 e^{x \ln 4}
f(x)=2x4x+x24xln4=(x2ln4+2x)4xf'(x) = 2x 4^x + x^2 4^x \ln 4 = (x^2 \ln 4 + 2x) 4^x
f(x)=(2xln4+2)4x+(x2ln4+2x)4xln4=(x2(ln4)2+4xln4+2)4xf''(x) = (2x \ln 4 + 2) 4^x + (x^2 \ln 4 + 2x) 4^x \ln 4 = (x^2 (\ln 4)^2 + 4x \ln 4 + 2) 4^x
f(x)=(2x(ln4)2+4ln4)4x+(x2(ln4)2+4xln4+2)4xln4=(x2(ln4)3+6x(ln4)2+6ln4)4xf'''(x) = (2x (\ln 4)^2 + 4 \ln 4) 4^x + (x^2 (\ln 4)^2 + 4x \ln 4 + 2) 4^x \ln 4 = (x^2 (\ln 4)^3 + 6x (\ln 4)^2 + 6 \ln 4) 4^x
f(n)(x)=(x2(ln4)n+2nx(ln4)n1+n(n1)(ln4)n2)4xf^{(n)}(x) = (x^2 (\ln 4)^n + 2n x (\ln 4)^{n-1} + n(n-1) (\ln 4)^{n-2}) 4^x
4) f(x)=8sin2x(1sin2x)f(x) = 8\sin^2 x(1-\sin^2 x)
f(x)=8sin2xcos2x=2(2sinxcosx)2=2sin2(2x)=2(1cos4x2)=1cos4xf(x) = 8\sin^2 x \cos^2 x = 2 (2\sin x \cos x)^2 = 2 \sin^2 (2x) = 2 (\frac{1 - \cos 4x}{2}) = 1 - \cos 4x
f(x)=4sin4xf'(x) = 4 \sin 4x
f(x)=16cos4xf''(x) = 16 \cos 4x
f(x)=64sin4xf'''(x) = -64 \sin 4x
f(n)(x)=(1)n124nsin4xif n is oddf^{(n)}(x) = (-1)^{\frac{n-1}{2}} 4^n \sin 4x \quad \text{if n is odd}
f(n)(x)=(1)n24ncos4xif n is evenf^{(n)}(x) = (-1)^{\frac{n}{2}} 4^n \cos 4x \quad \text{if n is even}
f(n)(x)=4n(cos4x)cos(nπ2)+4nsin(4x)sin(nπ2)=4ncos(4x+(n+1)π2)f^{(n)}(x) = 4^n (-\cos 4x) \cos (\frac{n\pi}{2}) + 4^n \sin(4x) \sin (\frac{n\pi}{2}) = 4^n \cos (4x + \frac{(n+1)\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)}
部分分数分解を行う。
12(x+1)(x+2)(x+3)(x+4)=Ax+1+Bx+2+Cx+3+Dx+4\frac{12}{(x+1)(x+2)(x+3)(x+4)} = \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)=6AA=2x=-1: 12 = A(1)(2)(3) = 6A \Rightarrow A = 2
x=2:12=B(1)(1)(2)=2BB=6x=-2: 12 = B(-1)(1)(2) = -2B \Rightarrow B = -6
x=3:12=C(2)(1)(1)=2CC=6x=-3: 12 = C(-2)(-1)(1) = 2C \Rightarrow C = 6
x=4:12=D(3)(2)(1)=6DD=2x=-4: 12 = D(-3)(-2)(-1) = -6D \Rightarrow 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! [\frac{2}{(x+1)^{n+1}} - \frac{6}{(x+2)^{n+1}} + \frac{6}{(x+3)^{n+1}} - \frac{2}{(x+4)^{n+1}}]

3. 最終的な答え

1) f(n)(x)=(1)n92(n+3)(n+2)(n+1)3n+2(1+3x)(n+4)f^{(n)}(x) = (-1)^n \frac{9}{2} (n+3)(n+2)(n+1) 3^{n+2} (1+3x)^{-(n+4)}
2) f(n)(x)=2n+n2e2xcos(2x+π18+nπ4)f^{(n)}(x) = 2^{n+\frac{n}{2}} e^{-2x} \cos (2x + \frac{\pi}{18} + \frac{n\pi}{4})
3) f(n)(x)=(x2(ln4)n+2nx(ln4)n1+n(n1)(ln4)n2)4xf^{(n)}(x) = (x^2 (\ln 4)^n + 2n x (\ln 4)^{n-1} + n(n-1) (\ln 4)^{n-2}) 4^x
4) f(n)(x)=4ncos(4x+(n+1)π2)f^{(n)}(x) = 4^n \cos (4x + \frac{(n+1)\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! [\frac{2}{(x+1)^{n+1}} - \frac{6}{(x+2)^{n+1}} + \frac{6}{(x+3)^{n+1}} - \frac{2}{(x+4)^{n+1}}]

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