与えられた6つの関数について、それぞれ$n$次導関数を求める問題です。 (1) $f(x) = \frac{x+a}{x+b}$ (2) $f(x) = \frac{1}{x^2 - 3x + 2}$ (3) $f(x) = \frac{x^4}{1-x}$ (4) $f(x) = \sin^3 x$ (5) $f(x) = \sin x \cos^3 x$ (6) $f(x) = x^2 \sin x$

解析学導関数微分n次導関数ライプニッツの公式三角関数部分分数分解多項式除算
2025/6/2

1. 問題の内容

与えられた6つの関数について、それぞれnn次導関数を求める問題です。
(1) f(x)=x+ax+bf(x) = \frac{x+a}{x+b}
(2) f(x)=1x23x+2f(x) = \frac{1}{x^2 - 3x + 2}
(3) f(x)=x41xf(x) = \frac{x^4}{1-x}
(4) f(x)=sin3xf(x) = \sin^3 x
(5) f(x)=sinxcos3xf(x) = \sin x \cos^3 x
(6) f(x)=x2sinxf(x) = x^2 \sin x

2. 解き方の手順

(1) f(x)=x+ax+b=x+b+abx+b=1+abx+bf(x) = \frac{x+a}{x+b} = \frac{x+b+a-b}{x+b} = 1 + \frac{a-b}{x+b}
f(x)=(ab)(1)(x+b)2f'(x) = (a-b)(-1)(x+b)^{-2}
f(x)=(ab)(1)(2)(x+b)3f''(x) = (a-b)(-1)(-2)(x+b)^{-3}
f(x)=(ab)(1)(2)(3)(x+b)4f'''(x) = (a-b)(-1)(-2)(-3)(x+b)^{-4}
一般的に、
f(n)(x)=(ab)(1)nn!(x+b)(n+1)=(ab)(1)nn!(x+b)n+1f^{(n)}(x) = (a-b)(-1)^n n! (x+b)^{-(n+1)} = (a-b)\frac{(-1)^n n!}{(x+b)^{n+1}}
(2) f(x)=1x23x+2=1(x1)(x2)=Ax1+Bx2f(x) = \frac{1}{x^2 - 3x + 2} = \frac{1}{(x-1)(x-2)} = \frac{A}{x-1} + \frac{B}{x-2}
1=A(x2)+B(x1)1 = A(x-2) + B(x-1)
x=1x=1のとき、 1=A(12)A=11 = A(1-2) \Rightarrow A = -1
x=2x=2のとき、 1=B(21)B=11 = B(2-1) \Rightarrow B = 1
f(x)=1x1+1x2=(x1)1+(x2)1f(x) = -\frac{1}{x-1} + \frac{1}{x-2} = -(x-1)^{-1} + (x-2)^{-1}
f(x)=(1)(x1)2+(1)(x2)2f'(x) = -(-1)(x-1)^{-2} + (-1)(x-2)^{-2}
f(x)=(1)(2)(x1)3+(1)(2)(x2)3f''(x) = -(-1)(-2)(x-1)^{-3} + (-1)(-2)(x-2)^{-3}
f(n)(x)=(1)nn!(x1)(n+1)+(1)nn!(x2)(n+1)=(1)nn!(1(x1)n+1+1(x2)n+1)f^{(n)}(x) = -(-1)^n n! (x-1)^{-(n+1)} + (-1)^n n! (x-2)^{-(n+1)} = (-1)^n n! \left(-\frac{1}{(x-1)^{n+1}} + \frac{1}{(x-2)^{n+1}}\right)
(3) f(x)=x41xf(x) = \frac{x^4}{1-x}
多項式除算を行うと
x4=(x3+x2+x+1)(1x)+1x^4 = -(x^3 + x^2 + x + 1)(1-x) + 1
x41x=x3x2x1+11x\frac{x^4}{1-x} = -x^3 - x^2 - x - 1 + \frac{1}{1-x}
f(x)=x3x2x1+(1x)1f(x) = -x^3 - x^2 - x - 1 + (1-x)^{-1}
f(x)=3x22x1+(1)(1x)2(1)f'(x) = -3x^2 - 2x - 1 + (-1)(1-x)^{-2}(-1)
f(x)=3x22x1+(1x)2f'(x) = -3x^2 - 2x - 1 + (1-x)^{-2}
f(n)(x)=000+(1)nn!(1x)(n+1)=n!(1x)n+1,n4f^{(n)}(x) = -0 - 0 - 0 + (-1)^n n! (1-x)^{-(n+1)} = \frac{n!}{(1-x)^{n+1}} , n\ge4
f(n)(x)=dndxn(x3x2x1)+dndxn(11x)f^{(n)}(x) = \frac{d^n}{dx^n}(-x^3 - x^2 - x - 1) + \frac{d^n}{dx^n}(\frac{1}{1-x})
n<4n < 4の時、
f(1)(x)=3x22x1+1(1x)2f^{(1)}(x) = -3x^2-2x-1 + \frac{1}{(1-x)^2}
f(2)(x)=6x2+2(1x)3f^{(2)}(x) = -6x-2 + \frac{2}{(1-x)^3}
f(3)(x)=6+6(1x)4f^{(3)}(x) = -6 + \frac{6}{(1-x)^4}
n4n \ge 4の時、
f(n)(x)=n!(1x)n+1f^{(n)}(x) = \frac{n!}{(1-x)^{n+1}}
(4) f(x)=sin3x=sinxsin2x=sinx(1cos2x2)=12sinx12sinxcos2x=12sinx1212(sin3xsinx)=12sinx14sin3x+14sinx=34sinx14sin3xf(x) = \sin^3 x = \sin x \sin^2 x = \sin x (\frac{1 - \cos 2x}{2}) = \frac{1}{2}\sin x - \frac{1}{2}\sin x \cos 2x = \frac{1}{2}\sin x - \frac{1}{2} \frac{1}{2} (\sin 3x - \sin x) = \frac{1}{2}\sin x - \frac{1}{4}\sin 3x + \frac{1}{4}\sin x = \frac{3}{4}\sin x - \frac{1}{4}\sin 3x
f(n)(x)=34sin(x+nπ2)143nsin(3x+nπ2)f^{(n)}(x) = \frac{3}{4}\sin(x + \frac{n\pi}{2}) - \frac{1}{4}3^n\sin(3x + \frac{n\pi}{2})
(5) f(x)=sinxcos3x=sinxcosxcos2x=12sin2x1+cos2x2=14sin2x+14sin2xcos2x=14sin2x+1412sin4x=14sin2x+18sin4xf(x) = \sin x \cos^3 x = \sin x \cos x \cos^2 x = \frac{1}{2}\sin 2x \frac{1 + \cos 2x}{2} = \frac{1}{4}\sin 2x + \frac{1}{4}\sin 2x \cos 2x = \frac{1}{4}\sin 2x + \frac{1}{4}\frac{1}{2}\sin 4x = \frac{1}{4}\sin 2x + \frac{1}{8}\sin 4x
f(n)(x)=142nsin(2x+nπ2)+184nsin(4x+nπ2)=2n2sin(2x+nπ2)+22n3sin(4x+nπ2)f^{(n)}(x) = \frac{1}{4}2^n \sin(2x + \frac{n\pi}{2}) + \frac{1}{8}4^n \sin(4x + \frac{n\pi}{2}) = 2^{n-2} \sin(2x + \frac{n\pi}{2}) + 2^{2n-3} \sin(4x + \frac{n\pi}{2})
(6) f(x)=x2sinxf(x) = x^2 \sin x
f(x)=2xsinx+x2cosxf'(x) = 2x \sin x + x^2 \cos x
f(x)=2sinx+2xcosx+2xcosxx2sinx=2sinx+4xcosxx2sinxf''(x) = 2 \sin x + 2x \cos x + 2x \cos x - x^2 \sin x = 2 \sin x + 4x \cos x - x^2 \sin x
f(x)=2cosx+4cosx4xsinx2xsinxx2cosx=6cosx6xsinxx2cosxf'''(x) = 2 \cos x + 4 \cos x - 4x \sin x - 2x \sin x - x^2 \cos x = 6 \cos x - 6x \sin x - x^2 \cos x
f(4)(x)=6sinx6sinx6xcosx+x2sinx2xcosx=12sinx8xcosx+x2sinxf^{(4)}(x) = -6 \sin x - 6 \sin x - 6x \cos x + x^2 \sin x - 2x \cos x = -12 \sin x - 8x \cos x + x^2 \sin x
ライプニッツの公式を用いる。
f(x)=x2sinxf(x) = x^2 \sin x
f(n)(x)=k=0n(nk)(x2)(k)(sinx)(nk)f^{(n)}(x) = \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} (x^2)^{(k)} (\sin x)^{(n-k)}
=(n0)x2(sinx)(n)+(n1)2x(sinx)(n1)+(n2)2(sinx)(n2)+0= \binom{n}{0}x^2 (\sin x)^{(n)} + \binom{n}{1}2x (\sin x)^{(n-1)} + \binom{n}{2}2 (\sin x)^{(n-2)} + 0
=x2sin(x+nπ2)+2nxsin(x+(n1)π2)+n(n1)sin(x+(n2)π2)= x^2 \sin(x + \frac{n\pi}{2}) + 2nx \sin(x + \frac{(n-1)\pi}{2}) + n(n-1) \sin(x + \frac{(n-2)\pi}{2})

3. 最終的な答え

(1) f(n)(x)=(ab)(1)nn!(x+b)n+1f^{(n)}(x) = (a-b)\frac{(-1)^n n!}{(x+b)^{n+1}}
(2) f(n)(x)=(1)nn!(1(x1)n+1+1(x2)n+1)f^{(n)}(x) = (-1)^n n! \left(-\frac{1}{(x-1)^{n+1}} + \frac{1}{(x-2)^{n+1}}\right)
(3) f(n)(x)=n!(1x)n+1,n4f^{(n)}(x) = \frac{n!}{(1-x)^{n+1}} , n\ge4
(4) f(n)(x)=34sin(x+nπ2)143nsin(3x+nπ2)f^{(n)}(x) = \frac{3}{4}\sin(x + \frac{n\pi}{2}) - \frac{1}{4}3^n\sin(3x + \frac{n\pi}{2})
(5) f(n)(x)=2n2sin(2x+nπ2)+22n3sin(4x+nπ2)f^{(n)}(x) = 2^{n-2} \sin(2x + \frac{n\pi}{2}) + 2^{2n-3} \sin(4x + \frac{n\pi}{2})
(6) f(n)(x)=x2sin(x+nπ2)+2nxsin(x+(n1)π2)+n(n1)sin(x+(n2)π2)f^{(n)}(x) = x^2 \sin(x + \frac{n\pi}{2}) + 2nx \sin(x + \frac{(n-1)\pi}{2}) + n(n-1) \sin(x + \frac{(n-2)\pi}{2})

「解析学」の関連問題

$a>0$のとき、平均値の定理を用いて不等式 $\frac{1}{a+1} < \log(a+1) - \log a < \frac{1}{a}$ を示す問題です。

平均値の定理対数関数不等式微分
2025/6/4

次の5つの極限を求める問題です。 (1) $\lim_{x \to +0} x^x$ (2) $\lim_{x \to \infty} x^{\frac{1}{x}}$ (3) $\lim_{x \t...

極限ロピタルの定理指数関数対数関数
2025/6/4

与えられた関数 $f(x)$ に対して、指定された点 $a$ における微分係数 $f'(a)$ を求める問題です。4つの関数が与えられています。 (1) $f(x) = (x^2+1)^x$, $a=...

微分微分係数導関数対数微分逆三角関数
2025/6/4

逆三角関数の微分を行う問題です。具体的には以下の4つの関数を微分します。 (1) $y = \sin^{-1} 4x$ (2) $y = \cos^{-1} \frac{x}{5}$ (3) $y =...

微分逆三角関数合成関数の微分
2025/6/4

関数 $f(x) = x^2 \sin x$ の第 $n$ 階導関数を求める問題です。ただし、$\sin x$ の第 $n$ 階導関数が $\sin(x + \frac{n\pi}{2})$ であるこ...

導関数ライプニッツの公式三角関数微分
2025/6/4

関数 $f(x) = (x^2+1)^x$ が与えられています。$f'(2)$ の値を求めよ。

微分対数微分法合成関数の微分積の微分法
2025/6/4

与えられた逆三角関数の方程式を解き、$x$の値を求めます。 (1) $\sin^{-1}\frac{4}{5} + \sin^{-1}\frac{5}{13} = \cos^{-1}x$ (2) $\...

逆三角関数加法定理三角関数
2025/6/4

逆三角関数の方程式 $ \cos^{-1} x = -\sin^{-1} \frac{1}{3} $ を解く。

逆三角関数方程式三角関数
2025/6/4

関数 $f(x) = x^2 \sin 2x$ の第5次導関数 $f^{(5)}(x)$ が、 $f^{(5)}(x) = (32x^2 - 160) \cos 2x + 160x \sin 2x$ ...

導関数微分三角関数代入
2025/6/4

関数 $f(x) = \frac{1}{x+1}$ の第 $n$ 階導関数を求める問題です。

導関数微分関数の微分n階導関数
2025/6/4