与えられた12個の関数の導関数をそれぞれ求める問題です。

解析学微分導関数合成関数積の微分対数微分三角関数
2025/6/14

1. 問題の内容

与えられた12個の関数の導関数をそれぞれ求める問題です。

2. 解き方の手順

各問題ごとに解き方を説明します。
(1) y=(x2+1)5(x32)3y = (x^2+1)^5 (x^3-2)^3
積の微分公式 (uv)=uv+uv(uv)' = u'v + uv'を使います。
u=(x2+1)5u = (x^2+1)^5, v=(x32)3v = (x^3-2)^3とします。
u=5(x2+1)4(2x)=10x(x2+1)4u' = 5(x^2+1)^4 (2x) = 10x(x^2+1)^4
v=3(x32)2(3x2)=9x2(x32)2v' = 3(x^3-2)^2 (3x^2) = 9x^2(x^3-2)^2
よって、
y=10x(x2+1)4(x32)3+(x2+1)59x2(x32)2=x(x2+1)4(x32)2[10(x32)+9x(x2+1)]=x(x2+1)4(x32)2(19x3+9x20)y' = 10x(x^2+1)^4 (x^3-2)^3 + (x^2+1)^5 9x^2(x^3-2)^2 = x(x^2+1)^4 (x^3-2)^2 [10(x^3-2) + 9x(x^2+1)] = x(x^2+1)^4 (x^3-2)^2 (19x^3 + 9x - 20)
(2) y=log(logx)y = \log(\log x)
合成関数の微分を使います。
y=1logx1x=1xlogxy' = \frac{1}{\log x} \cdot \frac{1}{x} = \frac{1}{x \log x}
(3) y=2xy = 2^x
y=2xlog2y' = 2^x \log 2
(4) y=x3(x2+1)3/2y = x^3 (x^2+1)^{3/2}
積の微分公式を使います。
y=3x2(x2+1)3/2+x332(x2+1)1/2(2x)=3x2(x2+1)3/2+3x4(x2+1)1/2=3x2(x2+1)1/2(x2+1+x2)=3x2(x2+1)1/2(2x2+1)y' = 3x^2 (x^2+1)^{3/2} + x^3 \cdot \frac{3}{2} (x^2+1)^{1/2} (2x) = 3x^2 (x^2+1)^{3/2} + 3x^4 (x^2+1)^{1/2} = 3x^2 (x^2+1)^{1/2} (x^2+1+x^2) = 3x^2 (x^2+1)^{1/2} (2x^2+1)
(5) y=exxy = e^{x^x}
xx=exlogxx^x = e^{x \log x}であるからy=eexlogxy=e^{e^{x \log x}}.
y=exx(xx(logx+1))=exx(xx(logx+1))y' = e^{x^x} (x^x (\log x + 1)) = e^{x^x} (x^x (\log x + 1))
または、 xx=f(x)x^x = f(x)とおくと、logf(x)=xlogx\log f(x) = x \log xとなり、f(x)f(x)=logx+1\frac{f'(x)}{f(x)} = \log x + 1。よって、f(x)=xx(logx+1)f'(x) = x^x (\log x + 1)
y=ef(x)y = e^{f(x)}なので、y=ef(x)f(x)=exxxx(logx+1)y' = e^{f(x)} f'(x) = e^{x^x} x^x (\log x + 1).
(6) y=(sinx)cosxy = (\sin x)^{\cos x}
両辺の対数を取ると、logy=cosxlog(sinx)\log y = \cos x \log (\sin x)
両辺をxxで微分すると、
yy=sinxlog(sinx)+cosxcosxsinx=sinxlog(sinx)+cos2xsinx\frac{y'}{y} = -\sin x \log(\sin x) + \cos x \cdot \frac{\cos x}{\sin x} = -\sin x \log(\sin x) + \frac{\cos^2 x}{\sin x}
よって、y=(sinx)cosx(cos2xsinxsinxlog(sinx))y' = (\sin x)^{\cos x} \left( \frac{\cos^2 x}{\sin x} - \sin x \log(\sin x) \right)
(7) y=tan1(1x21+x2)y = \tan^{-1} \left( \frac{1-x^2}{1+x^2} \right)
x=tanθx = \tan \thetaとおくと、1x21+x2=1tan2θ1+tan2θ=cos2θ\frac{1-x^2}{1+x^2} = \frac{1-\tan^2 \theta}{1+\tan^2 \theta} = \cos 2\theta.
y=tan1(cos2θ)y = \tan^{-1} (\cos 2\theta).
y=tan1(cos2θ)=tan1(1tan2(π/4θ)1+tan2(π/4θ))y = \tan^{-1} (\cos 2\theta) = \tan^{-1} \left( \frac{1 - \tan^2(\pi/4 - \theta)}{1 + \tan^2(\pi/4 - \theta)} \right).
合成関数の微分より
y=11+(1x21+x2)22x(1+x2)(1x2)2x(1+x2)2=(1+x2)2(1+x2)2+(1x2)24x(1+x2)2=4x2+2x4=2x1+x4y' = \frac{1}{1+(\frac{1-x^2}{1+x^2})^2} \cdot \frac{-2x(1+x^2) - (1-x^2)2x}{(1+x^2)^2} = \frac{(1+x^2)^2}{(1+x^2)^2 + (1-x^2)^2} \cdot \frac{-4x}{(1+x^2)^2} = \frac{-4x}{2+2x^4} = \frac{-2x}{1+x^4}.
(8) y=1+2logxy = \sqrt{1+2\log x}
y=121+2logx2x=1x1+2logxy' = \frac{1}{2\sqrt{1+2\log x}} \cdot \frac{2}{x} = \frac{1}{x\sqrt{1+2\log x}}
(9) y=sin1(x1+x2)y = \sin^{-1} \left( \frac{x}{\sqrt{1+x^2}} \right)
x=tanθx = \tan \thetaとおくと、x1+x2=tanθ1+tan2θ=tanθsecθ=sinθ\frac{x}{\sqrt{1+x^2}} = \frac{\tan \theta}{\sqrt{1+\tan^2 \theta}} = \frac{\tan \theta}{\sec \theta} = \sin \theta.
よって、y=sin1(sinθ)=θ=tan1xy = \sin^{-1} (\sin \theta) = \theta = \tan^{-1} x.
y=11+x2y' = \frac{1}{1+x^2}
(10) y=2cos1x+12y = 2 \cos^{-1} \sqrt{\frac{x+1}{2}}
x=cosθx = \cos \thetaとおくと、x+12=cosθ+12=cos2θ2=cosθ2\sqrt{\frac{x+1}{2}} = \sqrt{\frac{\cos \theta + 1}{2}} = \sqrt{\cos^2 \frac{\theta}{2}} = \cos \frac{\theta}{2}.
よって、y=2cos1(cosθ2)=2θ2=θ=cos1xy = 2 \cos^{-1} \left( \cos \frac{\theta}{2} \right) = 2 \cdot \frac{\theta}{2} = \theta = \cos^{-1} x.
y=11x2y' = -\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}
(11) y=(x1)(x2)(x3)(x4)y = \sqrt{\frac{(x-1)(x-2)}{(x-3)(x-4)}}
両辺の対数を取ると、logy=12[log(x1)+log(x2)log(x3)log(x4)]\log y = \frac{1}{2} \left[ \log(x-1) + \log(x-2) - \log(x-3) - \log(x-4) \right].
両辺をxxで微分すると、yy=12[1x1+1x21x31x4]=12(x2)(x3)(x4)+(x1)(x3)(x4)(x1)(x2)(x4)(x1)(x2)(x3)(x1)(x2)(x3)(x4)=124x2+10x8(x1)(x2)(x3)(x4)\frac{y'}{y} = \frac{1}{2} \left[ \frac{1}{x-1} + \frac{1}{x-2} - \frac{1}{x-3} - \frac{1}{x-4} \right] = \frac{1}{2} \frac{(x-2)(x-3)(x-4)+(x-1)(x-3)(x-4)-(x-1)(x-2)(x-4)-(x-1)(x-2)(x-3)}{(x-1)(x-2)(x-3)(x-4)} = \frac{1}{2} \frac{-4x^2+10x-8}{(x-1)(x-2)(x-3)(x-4)}
y=(x1)(x2)(x3)(x4)124x2+10x8(x1)(x2)(x3)(x4)=2x2+5x4(x1)(x2)(x3)(x4)3y' = \sqrt{\frac{(x-1)(x-2)}{(x-3)(x-4)}} \frac{1}{2} \frac{-4x^2+10x-8}{(x-1)(x-2)(x-3)(x-4)} = \frac{-2x^2+5x-4}{\sqrt{(x-1)(x-2)(x-3)(x-4)^3}}
(12) y=xa2x2+a2sin1xay = x\sqrt{a^2-x^2} + a^2 \sin^{-1} \frac{x}{a}
y=a2x2+x2x2a2x2+a211(x/a)21a=a2x2x2a2x2+a1(x/a)2=a2x2x2a2x2+aa2x2a=a22x2a2x2+a2a2x2=2(a2x2)a2x2=2a2x2y' = \sqrt{a^2-x^2} + x \cdot \frac{-2x}{2\sqrt{a^2-x^2}} + a^2 \cdot \frac{1}{\sqrt{1 - (x/a)^2}} \cdot \frac{1}{a} = \sqrt{a^2-x^2} - \frac{x^2}{\sqrt{a^2-x^2}} + \frac{a}{\sqrt{1 - (x/a)^2}} = \frac{a^2-x^2 - x^2}{\sqrt{a^2-x^2}} + \frac{a}{\frac{\sqrt{a^2-x^2}}{a}} = \frac{a^2-2x^2}{\sqrt{a^2-x^2}} + \frac{a^2}{\sqrt{a^2-x^2}} = \frac{2(a^2-x^2)}{\sqrt{a^2-x^2}} = 2\sqrt{a^2-x^2}

3. 最終的な答え

(1) y=x(x2+1)4(x32)2(19x3+9x20)y' = x(x^2+1)^4 (x^3-2)^2 (19x^3 + 9x - 20)
(2) y=1xlogxy' = \frac{1}{x \log x}
(3) y=2xlog2y' = 2^x \log 2
(4) y=3x2(x2+1)1/2(2x2+1)y' = 3x^2 (x^2+1)^{1/2} (2x^2+1)
(5) y=exx(xx(logx+1))y' = e^{x^x} (x^x (\log x + 1))
(6) y=(sinx)cosx(cos2xsinxsinxlog(sinx))y' = (\sin x)^{\cos x} \left( \frac{\cos^2 x}{\sin x} - \sin x \log(\sin x) \right)
(7) y=2x1+x4y' = -\frac{2x}{1+x^4}
(8) y=1x1+2logxy' = \frac{1}{x\sqrt{1+2\log x}}
(9) y=11+x2y' = \frac{1}{1+x^2}
(10) y=11x2y' = -\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}
(11) y=2x2+5x4(x1)(x2)(x3)(x4)3y' = \frac{-2x^2+5x-4}{\sqrt{(x-1)(x-2)(x-3)(x-4)^3}}
(12) y=2a2x2y' = 2\sqrt{a^2-x^2}

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