$n \geq 1$ 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) $f(x) = e^{-2x} \left(2 \cos^2 \left(x + \frac{\pi}{36}\right) - 1\right)$ 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 \geq 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} \left(2 \cos^2 \left(x + \frac{\pi}{36}\right) - 1\right)
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)53=324(1+3x)5f'(x) = 27 (-4) (1+3x)^{-5} \cdot 3 = -324 (1+3x)^{-5}
f(x)=324(5)(1+3x)63=4860(1+3x)6f''(x) = -324 (-5) (1+3x)^{-6} \cdot 3 = 4860 (1+3x)^{-6}
f(x)=4860(6)(1+3x)73=87480(1+3x)7f'''(x) = 4860 (-6) (1+3x)^{-7} \cdot 3 = -87480 (1+3x)^{-7}
一般に、f(n)(x)=27(1)n(n+3)!3n13!(1+3x)(n+4)f^{(n)}(x) = 27 \cdot (-1)^n \cdot (n+3)! \cdot 3^n \cdot \frac{1}{3!} (1+3x)^{-(n+4)}
f(n)(x)=27(1)n(n+3)(n+2)(n+1)3n(1+3x)(n+4)f^{(n)}(x) = 27 \cdot (-1)^n \cdot (n+3)(n+2)(n+1) \cdot 3^n (1+3x)^{-(n+4)}
f(n)(x)=27(1)n(n+1)(n+2)(n+3)3n(1+3x)n+4f^{(n)}(x) = \frac{27 \cdot (-1)^n \cdot (n+1)(n+2)(n+3) 3^n}{(1+3x)^{n+4}}
f(n)(x)=(1)n3n+3(n+1)(n+2)(n+3)(1+3x)n+4f^{(n)}(x) = \frac{(-1)^n 3^{n+3} (n+1)(n+2)(n+3)}{(1+3x)^{n+4}}
2) f(x)=e2x(2cos2(x+π36)1)=e2xcos(2x+π18)f(x) = e^{-2x} \left(2 \cos^2 \left(x + \frac{\pi}{36}\right) - 1\right) = e^{-2x} \cos \left(2x + \frac{\pi}{18}\right)
f(x)=2e2xcos(2x+π18)2e2xsin(2x+π18)f'(x) = -2 e^{-2x} \cos \left(2x + \frac{\pi}{18}\right) - 2 e^{-2x} \sin \left(2x + \frac{\pi}{18}\right)
f(x)=2e2x[cos(2x+π18)+sin(2x+π18)]f'(x) = -2 e^{-2x} \left[ \cos \left(2x + \frac{\pi}{18}\right) + \sin \left(2x + \frac{\pi}{18}\right) \right]
f(x)=e2xcos(2x+π18)=e2xcos(2x+α)f(x) = e^{-2x} \cos(2x + \frac{\pi}{18}) = e^{-2x} \cos(2x + \alpha)とおく。
f(n)(x)=e2x2ncos(2x+α+nπ2)f^{(n)}(x) = e^{-2x} 2^n \cos (2x + \alpha + \frac{n \pi}{2})
f(n)(x)=2ne2xcos(2x+π18+nπ2)f^{(n)}(x) = 2^n e^{-2x} \cos (2x + \frac{\pi}{18} + \frac{n \pi}{2})
3) f(x)=x24xf(x) = x^2 \cdot 4^x
4x=exln44^x = e^{x \ln 4}
f(x)=2x4x+x24xln4f'(x) = 2x \cdot 4^x + x^2 \cdot 4^x \ln 4
f(x)=24x+2x4xln4+2x4xln4+x24x(ln4)2f''(x) = 2 \cdot 4^x + 2x \cdot 4^x \ln 4 + 2x \cdot 4^x \ln 4 + x^2 4^x (\ln 4)^2
f(x)=24x+4x4xln4+x24x(ln4)2f''(x) = 2 \cdot 4^x + 4x \cdot 4^x \ln 4 + x^2 4^x (\ln 4)^2
f(n)(x)=4x[(ln4)nx2+2n(ln4)n1x+n(n1)(ln4)n2]f^{(n)}(x) = 4^x \left[ (\ln 4)^n x^2 + 2 n (\ln 4)^{n-1} x + n(n-1) (\ln 4)^{n-2}\right]
4) f(x)=8sin2x(1sin2x)=8sin2xcos2x=2(2sinxcosx)2=2sin22x=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^2 2x = 1 - \cos 4x
f(x)=4sin4xf'(x) = 4 \sin 4x
f(x)=16cos4xf''(x) = 16 \cos 4x
f(n)(x)=4ncos(4x+nπ2)f^{(n)}(x) = - 4^n \cos (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)}
部分分数分解:
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)    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)=2(1)nn![1(x+1)n+13(x+2)n+1+3(x+3)n+11(x+4)n+1]f^{(n)}(x) = 2 (-1)^n n! \left[ \frac{1}{(x+1)^{n+1}} - \frac{3}{(x+2)^{n+1}} + \frac{3}{(x+3)^{n+1}} - \frac{1}{(x+4)^{n+1}} \right]

3. 最終的な答え

1) f(n)(x)=(1)n3n+3(n+1)(n+2)(n+3)(1+3x)n+4f^{(n)}(x) = \frac{(-1)^n 3^{n+3} (n+1)(n+2)(n+3)}{(1+3x)^{n+4}}
2) f(n)(x)=2ne2xcos(2x+π18+nπ2)f^{(n)}(x) = 2^n e^{-2x} \cos (2x + \frac{\pi}{18} + \frac{n \pi}{2})
3) f(n)(x)=4x[(ln4)nx2+2n(ln4)n1x+n(n1)(ln4)n2]f^{(n)}(x) = 4^x \left[ (\ln 4)^n x^2 + 2 n (\ln 4)^{n-1} x + n(n-1) (\ln 4)^{n-2}\right]
4) f(n)(x)=4ncos(4x+nπ2)f^{(n)}(x) = - 4^n \cos (4x + \frac{n \pi}{2})
5) f(n)(x)=2(1)nn![1(x+1)n+13(x+2)n+1+3(x+3)n+11(x+4)n+1]f^{(n)}(x) = 2 (-1)^n n! \left[ \frac{1}{(x+1)^{n+1}} - \frac{3}{(x+2)^{n+1}} + \frac{3}{(x+3)^{n+1}} - \frac{1}{(x+4)^{n+1}} \right]

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