与えられた関数について、導関数の定義に従って導関数を求める問題です。 (1) $ax^2 + bx + c$ (2) $x^4$ (3) $\frac{1}{x}$ (4) $\frac{1}{x^2}$ (5) $\sqrt[3]{x}$

解析学導関数微分極限関数の微分
2025/6/4

1. 問題の内容

与えられた関数について、導関数の定義に従って導関数を求める問題です。
(1) ax2+bx+cax^2 + bx + c
(2) x4x^4
(3) 1x\frac{1}{x}
(4) 1x2\frac{1}{x^2}
(5) x3\sqrt[3]{x}

2. 解き方の手順

導関数の定義は、
f(x)=limh0f(x+h)f(x)hf'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{f(x+h) - f(x)}{h}
です。各関数について、この定義を用いて導関数を求めます。
(1) f(x)=ax2+bx+cf(x) = ax^2 + bx + c の場合
f(x+h)=a(x+h)2+b(x+h)+c=a(x2+2xh+h2)+bx+bh+c=ax2+2axh+ah2+bx+bh+cf(x+h) = a(x+h)^2 + b(x+h) + c = a(x^2 + 2xh + h^2) + bx + bh + c = ax^2 + 2axh + ah^2 + bx + bh + c
f(x+h)f(x)=(ax2+2axh+ah2+bx+bh+c)(ax2+bx+c)=2axh+ah2+bhf(x+h) - f(x) = (ax^2 + 2axh + ah^2 + bx + bh + c) - (ax^2 + bx + c) = 2axh + ah^2 + bh
f(x+h)f(x)h=2axh+ah2+bhh=2ax+ah+b\frac{f(x+h) - f(x)}{h} = \frac{2axh + ah^2 + bh}{h} = 2ax + ah + b
f(x)=limh0(2ax+ah+b)=2ax+bf'(x) = \lim_{h \to 0} (2ax + ah + b) = 2ax + b
(2) f(x)=x4f(x) = x^4 の場合
f(x+h)=(x+h)4=x4+4x3h+6x2h2+4xh3+h4f(x+h) = (x+h)^4 = x^4 + 4x^3h + 6x^2h^2 + 4xh^3 + h^4
f(x+h)f(x)=(x4+4x3h+6x2h2+4xh3+h4)x4=4x3h+6x2h2+4xh3+h4f(x+h) - f(x) = (x^4 + 4x^3h + 6x^2h^2 + 4xh^3 + h^4) - x^4 = 4x^3h + 6x^2h^2 + 4xh^3 + h^4
f(x+h)f(x)h=4x3h+6x2h2+4xh3+h4h=4x3+6x2h+4xh2+h3\frac{f(x+h) - f(x)}{h} = \frac{4x^3h + 6x^2h^2 + 4xh^3 + h^4}{h} = 4x^3 + 6x^2h + 4xh^2 + h^3
f(x)=limh0(4x3+6x2h+4xh2+h3)=4x3f'(x) = \lim_{h \to 0} (4x^3 + 6x^2h + 4xh^2 + h^3) = 4x^3
(3) f(x)=1xf(x) = \frac{1}{x} の場合
f(x+h)=1x+hf(x+h) = \frac{1}{x+h}
f(x+h)f(x)=1x+h1x=x(x+h)x(x+h)=hx(x+h)f(x+h) - f(x) = \frac{1}{x+h} - \frac{1}{x} = \frac{x - (x+h)}{x(x+h)} = \frac{-h}{x(x+h)}
f(x+h)f(x)h=hx(x+h)h=1x(x+h)\frac{f(x+h) - f(x)}{h} = \frac{-h}{x(x+h)h} = \frac{-1}{x(x+h)}
f(x)=limh01x(x+h)=1x2f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{-1}{x(x+h)} = \frac{-1}{x^2}
(4) f(x)=1x2f(x) = \frac{1}{x^2} の場合
f(x+h)=1(x+h)2f(x+h) = \frac{1}{(x+h)^2}
f(x+h)f(x)=1(x+h)21x2=x2(x+h)2x2(x+h)2=x2(x2+2xh+h2)x2(x+h)2=2xhh2x2(x+h)2f(x+h) - f(x) = \frac{1}{(x+h)^2} - \frac{1}{x^2} = \frac{x^2 - (x+h)^2}{x^2(x+h)^2} = \frac{x^2 - (x^2 + 2xh + h^2)}{x^2(x+h)^2} = \frac{-2xh - h^2}{x^2(x+h)^2}
f(x+h)f(x)h=2xhh2x2(x+h)2h=2xhx2(x+h)2\frac{f(x+h) - f(x)}{h} = \frac{-2xh - h^2}{x^2(x+h)^2h} = \frac{-2x - h}{x^2(x+h)^2}
f(x)=limh02xhx2(x+h)2=2xx2x2=2x3f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{-2x - h}{x^2(x+h)^2} = \frac{-2x}{x^2x^2} = \frac{-2}{x^3}
(5) f(x)=x3=x13f(x) = \sqrt[3]{x} = x^{\frac{1}{3}} の場合
f(x+h)=(x+h)13f(x+h) = (x+h)^{\frac{1}{3}}
f(x+h)f(x)=(x+h)13x13f(x+h) - f(x) = (x+h)^{\frac{1}{3}} - x^{\frac{1}{3}}
f(x+h)f(x)h=(x+h)13x13h\frac{f(x+h) - f(x)}{h} = \frac{(x+h)^{\frac{1}{3}} - x^{\frac{1}{3}}}{h}
ここで、a3b3=(ab)(a2+ab+b2)a^3-b^3 = (a-b)(a^2+ab+b^2)を利用して分子を有理化します。
(x+h)13x13h=((x+h)13x13)((x+h)23+(x+h)13x13+x23)h((x+h)23+(x+h)13x13+x23)=(x+h)xh((x+h)23+(x+h)13x13+x23)=hh((x+h)23+(x+h)13x13+x23)=1(x+h)23+(x+h)13x13+x23\frac{(x+h)^{\frac{1}{3}} - x^{\frac{1}{3}}}{h} = \frac{((x+h)^{\frac{1}{3}} - x^{\frac{1}{3}})((x+h)^{\frac{2}{3}} + (x+h)^{\frac{1}{3}}x^{\frac{1}{3}} + x^{\frac{2}{3}})}{h((x+h)^{\frac{2}{3}} + (x+h)^{\frac{1}{3}}x^{\frac{1}{3}} + x^{\frac{2}{3}})} = \frac{(x+h)-x}{h((x+h)^{\frac{2}{3}} + (x+h)^{\frac{1}{3}}x^{\frac{1}{3}} + x^{\frac{2}{3}})} = \frac{h}{h((x+h)^{\frac{2}{3}} + (x+h)^{\frac{1}{3}}x^{\frac{1}{3}} + x^{\frac{2}{3}})} = \frac{1}{(x+h)^{\frac{2}{3}} + (x+h)^{\frac{1}{3}}x^{\frac{1}{3}} + x^{\frac{2}{3}}}
f(x)=limh01(x+h)23+(x+h)13x13+x23=1x23+x13x13+x23=13x23=13x23f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{1}{(x+h)^{\frac{2}{3}} + (x+h)^{\frac{1}{3}}x^{\frac{1}{3}} + x^{\frac{2}{3}}} = \frac{1}{x^{\frac{2}{3}} + x^{\frac{1}{3}}x^{\frac{1}{3}} + x^{\frac{2}{3}}} = \frac{1}{3x^{\frac{2}{3}}} = \frac{1}{3\sqrt[3]{x^2}}

3. 最終的な答え

(1) 2ax+b2ax + b
(2) 4x34x^3
(3) 1x2-\frac{1}{x^2}
(4) 2x3-\frac{2}{x^3}
(5) 13x23\frac{1}{3\sqrt[3]{x^2}}

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はい、承知いたしました。画像にある数学の問題について、一つずつ解いていきます。

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