与えられた関数 $x(t)$ について、その一階微分 $\frac{dx}{dt}$ と二階微分 $\frac{d^2x}{dt^2}$ を求める問題です。$a, b, c, d$ は全て定数です。

解析学微分微分法導関数一階微分二階微分関数
2025/6/24

1. 問題の内容

与えられた関数 x(t)x(t) について、その一階微分 dxdt\frac{dx}{dt} と二階微分 d2xdt2\frac{d^2x}{dt^2} を求める問題です。a,b,c,da, b, c, d は全て定数です。

2. 解き方の手順

(1) x=at2+bt+c+dtx = at^2 + bt + c + \frac{d}{t}
一階微分:
dxdt=ddt(at2+bt+c+dt1)=2at+bdt2=2at+bdt2\frac{dx}{dt} = \frac{d}{dt}(at^2 + bt + c + dt^{-1}) = 2at + b - dt^{-2} = 2at + b - \frac{d}{t^2}
二階微分:
d2xdt2=ddt(2at+bdt2)=2a+2dt3=2a+2dt3\frac{d^2x}{dt^2} = \frac{d}{dt}(2at + b - dt^{-2}) = 2a + 2dt^{-3} = 2a + \frac{2d}{t^3}
(2) x=asin(bt+c)+dcos(bt+c)x = a \sin(bt + c) + d \cos(bt + c)
一階微分:
dxdt=ddt(asin(bt+c)+dcos(bt+c))=abcos(bt+c)bdsin(bt+c)\frac{dx}{dt} = \frac{d}{dt}(a \sin(bt + c) + d \cos(bt + c)) = ab \cos(bt + c) - bd \sin(bt + c)
二階微分:
d2xdt2=ddt(abcos(bt+c)bdsin(bt+c))=ab2sin(bt+c)b2dcos(bt+c)=b2(asin(bt+c)+dcos(bt+c))=b2x\frac{d^2x}{dt^2} = \frac{d}{dt}(ab \cos(bt + c) - bd \sin(bt + c)) = -ab^2 \sin(bt + c) - b^2d \cos(bt + c) = -b^2(a \sin(bt + c) + d \cos(bt + c)) = -b^2x
(3) x=aebt+c+ce(bt+c)x = ae^{bt+c} + ce^{-(bt+c)}
一階微分:
dxdt=ddt(aebt+c+ce(bt+c))=abebt+cbce(bt+c)\frac{dx}{dt} = \frac{d}{dt}(ae^{bt+c} + ce^{-(bt+c)}) = abe^{bt+c} - bce^{-(bt+c)}
二階微分:
d2xdt2=ddt(abebt+cbce(bt+c))=ab2ebt+c+b2ce(bt+c)=b2(aebt+c+ce(bt+c))=b2x\frac{d^2x}{dt^2} = \frac{d}{dt}(abe^{bt+c} - bce^{-(bt+c)}) = ab^2e^{bt+c} + b^2ce^{-(bt+c)} = b^2(ae^{bt+c} + ce^{-(bt+c)}) = b^2x
(4) x=alog(bt+c)x = a \log(bt + c)
一階微分:
dxdt=ddt(alog(bt+c))=a1bt+cb=abbt+c\frac{dx}{dt} = \frac{d}{dt}(a \log(bt + c)) = a \cdot \frac{1}{bt + c} \cdot b = \frac{ab}{bt + c}
二階微分:
d2xdt2=ddt(abbt+c)=abddt(bt+c)1=ab(1)(bt+c)2b=ab2(bt+c)2\frac{d^2x}{dt^2} = \frac{d}{dt}(\frac{ab}{bt + c}) = ab \cdot \frac{d}{dt}(bt + c)^{-1} = ab \cdot (-1)(bt + c)^{-2} \cdot b = -\frac{ab^2}{(bt + c)^2}

3. 最終的な答え

(1)
dxdt=2at+bdt2\frac{dx}{dt} = 2at + b - \frac{d}{t^2}
d2xdt2=2a+2dt3\frac{d^2x}{dt^2} = 2a + \frac{2d}{t^3}
(2)
dxdt=abcos(bt+c)bdsin(bt+c)\frac{dx}{dt} = ab \cos(bt + c) - bd \sin(bt + c)
d2xdt2=b2(asin(bt+c)+dcos(bt+c))=b2x\frac{d^2x}{dt^2} = -b^2(a \sin(bt + c) + d \cos(bt + c)) = -b^2x
(3)
dxdt=abebt+cbce(bt+c)\frac{dx}{dt} = abe^{bt+c} - bce^{-(bt+c)}
d2xdt2=b2(aebt+c+ce(bt+c))=b2x\frac{d^2x}{dt^2} = b^2(ae^{bt+c} + ce^{-(bt+c)}) = b^2x
(4)
dxdt=abbt+c\frac{dx}{dt} = \frac{ab}{bt + c}
d2xdt2=ab2(bt+c)2\frac{d^2x}{dt^2} = -\frac{ab^2}{(bt + c)^2}

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