与えられた9つの関数をそれぞれ微分する問題です。 (1) $y = \tan^{-1}\sqrt{\frac{x-1}{2-x}}$ (2) $y = \log|\tan x + \sec x|$ (3) $y = \tan^{-1}(\cot x)$ (4) $y = (\tan^{-1} 2x)^3$ (5) $y = \cos^{-1} \frac{1}{x}$ (6) $y = \sin^{-1} \frac{1}{x}$ (7) $y = \tan^{-1}(\frac{1}{\sqrt{2}}\tan\frac{x}{2})$ (8) $y = \sin^{-1}(2x)$ (9) $y = \cos^{-1}\sqrt{1-x^2}$

解析学微分逆三角関数合成関数
2025/5/23

1. 問題の内容

与えられた9つの関数をそれぞれ微分する問題です。
(1) y=tan1x12xy = \tan^{-1}\sqrt{\frac{x-1}{2-x}}
(2) y=logtanx+secxy = \log|\tan x + \sec x|
(3) y=tan1(cotx)y = \tan^{-1}(\cot x)
(4) y=(tan12x)3y = (\tan^{-1} 2x)^3
(5) y=cos11xy = \cos^{-1} \frac{1}{x}
(6) y=sin11xy = \sin^{-1} \frac{1}{x}
(7) y=tan1(12tanx2)y = \tan^{-1}(\frac{1}{\sqrt{2}}\tan\frac{x}{2})
(8) y=sin1(2x)y = \sin^{-1}(2x)
(9) y=cos11x2y = \cos^{-1}\sqrt{1-x^2}

2. 解き方の手順

各関数について、微分を計算します。
(1) y=tan1x12xy = \tan^{-1}\sqrt{\frac{x-1}{2-x}}
u=x12xu = \frac{x-1}{2-x} とおくと、 dudx=(2x)(x1)(1)(2x)2=2x+x1(2x)2=1(2x)2\frac{du}{dx} = \frac{(2-x) - (x-1)(-1)}{(2-x)^2} = \frac{2-x+x-1}{(2-x)^2} = \frac{1}{(2-x)^2}
v=u=x12xv = \sqrt{u} = \sqrt{\frac{x-1}{2-x}} とおくと、 dvdu=12u=12x12x\frac{dv}{du} = \frac{1}{2\sqrt{u}} = \frac{1}{2\sqrt{\frac{x-1}{2-x}}}
y=tan1vy = \tan^{-1}v なので、 dydv=11+v2=11+x12x=2x2x+x1=2x\frac{dy}{dv} = \frac{1}{1+v^2} = \frac{1}{1+\frac{x-1}{2-x}} = \frac{2-x}{2-x+x-1} = 2-x
したがって、 dydx=dydvdvdududx=(2x)12x12x1(2x)2=12x12x(2x)=12(x1)(2x)2/(2x)=12(x1)(2x)\frac{dy}{dx} = \frac{dy}{dv}\frac{dv}{du}\frac{du}{dx} = (2-x) \cdot \frac{1}{2\sqrt{\frac{x-1}{2-x}}} \cdot \frac{1}{(2-x)^2} = \frac{1}{2\sqrt{\frac{x-1}{2-x}}(2-x)} = \frac{1}{2\sqrt{(x-1)(2-x)^2/(2-x)}} = \frac{1}{2\sqrt{(x-1)(2-x)}}
(2) y=logtanx+secxy = \log|\tan x + \sec x|
u=tanx+secxu = \tan x + \sec x とおくと、 dudx=sec2x+secxtanx=secx(secx+tanx)\frac{du}{dx} = \sec^2 x + \sec x \tan x = \sec x (\sec x + \tan x)
y=loguy = \log|u| なので、 dydu=1u=1tanx+secx\frac{dy}{du} = \frac{1}{u} = \frac{1}{\tan x + \sec x}
したがって、 dydx=dydududx=1tanx+secxsecx(secx+tanx)=secx\frac{dy}{dx} = \frac{dy}{du}\frac{du}{dx} = \frac{1}{\tan x + \sec x} \cdot \sec x(\sec x + \tan x) = \sec x
(3) y=tan1(cotx)y = \tan^{-1}(\cot x)
ddx(tan1x)=11+x2\frac{d}{dx}(\tan^{-1} x) = \frac{1}{1+x^2}
ddx(cotx)=csc2x=1sin2x\frac{d}{dx}(\cot x) = -\csc^2 x = -\frac{1}{\sin^2 x}
したがって、 dydx=11+cot2x(csc2x)=csc2xcsc2x=1\frac{dy}{dx} = \frac{1}{1+\cot^2 x} (-\csc^2 x) = \frac{-\csc^2 x}{\csc^2 x} = -1
あるいは、 cotx=tan(π2x)\cot x = \tan (\frac{\pi}{2} - x) なので y=tan1(tan(π2x))=π2xy = \tan^{-1}(\tan (\frac{\pi}{2} - x)) = \frac{\pi}{2} - x よって y=1y' = -1.
(4) y=(tan12x)3y = (\tan^{-1} 2x)^3
u=tan12xu = \tan^{-1} 2x とおくと、 dudx=11+(2x)22=21+4x2\frac{du}{dx} = \frac{1}{1+(2x)^2} \cdot 2 = \frac{2}{1+4x^2}
y=u3y = u^3 なので、 dydu=3u2=3(tan12x)2\frac{dy}{du} = 3u^2 = 3(\tan^{-1} 2x)^2
したがって、 dydx=dydududx=3(tan12x)221+4x2=6(tan12x)21+4x2\frac{dy}{dx} = \frac{dy}{du}\frac{du}{dx} = 3(\tan^{-1} 2x)^2 \cdot \frac{2}{1+4x^2} = \frac{6(\tan^{-1} 2x)^2}{1+4x^2}
(5) y=cos11xy = \cos^{-1} \frac{1}{x}
ddxcos1x=11x2\frac{d}{dx} \cos^{-1} x = \frac{-1}{\sqrt{1-x^2}}
ddx1x=1x2\frac{d}{dx} \frac{1}{x} = -\frac{1}{x^2}
したがって、 dydx=11(1x)2(1x2)=1x211x2=1x2x21x2=1x2x21x=1xx21\frac{dy}{dx} = \frac{-1}{\sqrt{1-(\frac{1}{x})^2}} \cdot (-\frac{1}{x^2}) = \frac{1}{x^2\sqrt{1-\frac{1}{x^2}}} = \frac{1}{x^2\sqrt{\frac{x^2-1}{x^2}}} = \frac{1}{x^2 \frac{\sqrt{x^2-1}}{|x|}} = \frac{1}{|x|\sqrt{x^2-1}}
(6) y=sin11xy = \sin^{-1} \frac{1}{x}
ddxsin1x=11x2\frac{d}{dx} \sin^{-1} x = \frac{1}{\sqrt{1-x^2}}
ddx1x=1x2\frac{d}{dx} \frac{1}{x} = -\frac{1}{x^2}
したがって、 dydx=11(1x)2(1x2)=1x211x2=1x2x21x2=1x2x21x=1xx21\frac{dy}{dx} = \frac{1}{\sqrt{1-(\frac{1}{x})^2}} \cdot (-\frac{1}{x^2}) = \frac{-1}{x^2\sqrt{1-\frac{1}{x^2}}} = \frac{-1}{x^2\sqrt{\frac{x^2-1}{x^2}}} = \frac{-1}{x^2 \frac{\sqrt{x^2-1}}{|x|}} = \frac{-1}{|x|\sqrt{x^2-1}}
(7) y=tan1(12tanx2)y = \tan^{-1}(\frac{1}{\sqrt{2}}\tan\frac{x}{2})
u=12tanx2u = \frac{1}{\sqrt{2}}\tan\frac{x}{2} とおくと、 dudx=12sec2(x2)12=122sec2(x2)\frac{du}{dx} = \frac{1}{\sqrt{2}}\sec^2(\frac{x}{2}) \cdot \frac{1}{2} = \frac{1}{2\sqrt{2}}\sec^2(\frac{x}{2})
y=tan1uy = \tan^{-1}u なので、 dydu=11+u2=11+12tan2(x2)\frac{dy}{du} = \frac{1}{1+u^2} = \frac{1}{1+\frac{1}{2}\tan^2(\frac{x}{2})}
したがって、 dydx=dydududx=11+12tan2(x2)122sec2(x2)=sec2(x2)22+2tan2(x2)=1/cos2(x/2)22(1+1/2tan2(x/2))=122[cos2(x/2)+sin2(x/2)]=122[cos2(x2)+12sin2(x2)]=122(cos2x2+12sin2x2)\frac{dy}{dx} = \frac{dy}{du}\frac{du}{dx} = \frac{1}{1+\frac{1}{2}\tan^2(\frac{x}{2})} \cdot \frac{1}{2\sqrt{2}}\sec^2(\frac{x}{2}) = \frac{\sec^2(\frac{x}{2})}{2\sqrt{2} + \sqrt{2}\tan^2(\frac{x}{2})} = \frac{1/\cos^2(x/2)}{2\sqrt{2}(1+1/2\tan^2(x/2))} = \frac{1}{2\sqrt{2}[\cos^2(x/2)+\sin^2(x/2)]} =\frac{1}{2\sqrt{2} [\cos^2(\frac{x}{2}) + \frac{1}{2}\sin^2(\frac{x}{2})]} = \frac{1}{2\sqrt{2} (\cos^2 \frac{x}{2}+\frac{1}{2} \sin^2\frac{x}{2})}.
sinx=2sin(x2)cos(x2)\sin x = 2\sin(\frac{x}{2})\cos(\frac{x}{2})より,2sin2(x2)=1cosx2\sin^2(\frac{x}{2}) = 1-\cos xよりsin2(x/2)=1cosx2\sin^2(x/2)= \frac{1-\cos x}{2}cosx=2cos2(x2)1\cos x = 2\cos^2(\frac{x}{2})-1よりcos2(x2)=1+cosx2\cos^2(\frac{x}{2}) = \frac{1+\cos x}{2}.
ゆえにcos2(x2)+12sin2(x2)=1+cosx2+1cosx4=2+2cosx+1cosx4=3+cosx4\cos^2(\frac{x}{2})+\frac{1}{2}\sin^2(\frac{x}{2}) = \frac{1+\cos x}{2} + \frac{1-\cos x}{4} = \frac{2+2\cos x+1-\cos x}{4} = \frac{3+\cos x}{4}.
dydx=122[3+cosx4]=22(3+cosx)=23+cosx\frac{dy}{dx} = \frac{1}{2\sqrt{2}[\frac{3+\cos x}{4}]} = \frac{2}{\sqrt{2}(3+\cos x)} = \frac{\sqrt{2}}{3+\cos x}
(8) y=sin1(2x)y = \sin^{-1}(2x)
u=2xu=2x, dudx=2\frac{du}{dx} = 2.
y=sin1uy = \sin^{-1} u. dydu=11u2=114x2\frac{dy}{du} = \frac{1}{\sqrt{1-u^2}} = \frac{1}{\sqrt{1-4x^2}}.
dydx=dydududx=214x2\frac{dy}{dx} = \frac{dy}{du} \frac{du}{dx} = \frac{2}{\sqrt{1-4x^2}}.
(9) y=cos11x2y = \cos^{-1}\sqrt{1-x^2}
u=1x2u = \sqrt{1-x^2} とおくと dudx=121x2(2x)=x1x2\frac{du}{dx} = \frac{1}{2\sqrt{1-x^2}}(-2x) = \frac{-x}{\sqrt{1-x^2}}
y=cos1uy = \cos^{-1}uなので、 dydu=11u2=11(1x2)=1x2=1x\frac{dy}{du} = \frac{-1}{\sqrt{1-u^2}} = \frac{-1}{\sqrt{1-(1-x^2)}} = \frac{-1}{\sqrt{x^2}} = \frac{-1}{|x|}
dydx=dydududx=1xx1x2=xx1x2=sgn(x)1x2\frac{dy}{dx} = \frac{dy}{du}\frac{du}{dx} = \frac{-1}{|x|}\cdot \frac{-x}{\sqrt{1-x^2}} = \frac{x}{|x|\sqrt{1-x^2}} = \frac{\text{sgn}(x)}{\sqrt{1-x^2}}

3. 最終的な答え

(1) dydx=12(x1)(2x)\frac{dy}{dx} = \frac{1}{2\sqrt{(x-1)(2-x)}}
(2) dydx=secx\frac{dy}{dx} = \sec x
(3) dydx=1\frac{dy}{dx} = -1
(4) dydx=6(tan12x)21+4x2\frac{dy}{dx} = \frac{6(\tan^{-1} 2x)^2}{1+4x^2}
(5) dydx=1xx21\frac{dy}{dx} = \frac{1}{|x|\sqrt{x^2-1}}
(6) dydx=1xx21\frac{dy}{dx} = \frac{-1}{|x|\sqrt{x^2-1}}
(7) dydx=23+cosx\frac{dy}{dx} = \frac{\sqrt{2}}{3+\cos x}
(8) dydx=214x2\frac{dy}{dx} = \frac{2}{\sqrt{1-4x^2}}
(9) dydx=xx1x2=sgn(x)1x2\frac{dy}{dx} = \frac{x}{|x|\sqrt{1-x^2}} = \frac{\text{sgn}(x)}{\sqrt{1-x^2}}

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