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対数微分法・高階導関数【対数を使った微分・n次導関数】

公開日: 2026/7/11

📐 公式まとめ

  • 1.1. 手順

    ddx[logy]=yy=1ydydx\frac{d}{dx}[\log|y|] = \frac{y'}{y} = \frac{1}{y} \cdot \frac{dy}{dx}
  • 2.1. 積の形 y=f(x)⋅g(x)⋅h(x)y = f(x) \cdot g(x) \cdot h(x)y=f(x)⋅g(x)⋅h(x)

    logy=logf(x)+logg(x)+logh(x)\log|y| = \log|f(x)| + \log|g(x)| + \log|h(x)|
  • 2.2. 指数に変数を含む形 y=f(x)g(x)y = f(x)^{g(x)}y=f(x)g(x)

    logy=g(x)logf(x)\log|y| = g(x) \cdot \log|f(x)|
  • 2.2. 指数に変数を含む形 y=f(x)g(x)y = f(x)^{g(x)}y=f(x)g(x)

    yy=g(x)logf(x)+g(x)f(x)f(x)\frac{y'}{y} = g'(x)\log|f(x)| + g(x) \cdot \frac{f'(x)}{f(x)}
  • 4.1. 基本関数の nnn 次導関数

    (ex)(n)=ex\left(e^x\right)^{(n)} = e^x
  • 4.1. 基本関数の nnn 次導関数

    (sinx)(n)=sin ⁣(x+nπ2)(\sin x)^{(n)} = \sin\!\left(x + \frac{n\pi}{2}\right)
  • 4.1. 基本関数の nnn 次導関数

    (cosx)(n)=cos ⁣(x+nπ2)(\cos x)^{(n)} = \cos\!\left(x + \frac{n\pi}{2}\right)
  • 4.1. 基本関数の nnn 次導関数

    (xm)(n)=m(m1)(m2)(mn+1)xmn(mn の整数)\left(x^m\right)^{(n)} = m(m-1)(m-2)\cdots(m-n+1)\,x^{m-n} \quad (m \geq n \text{ の整数})
  • 4.1. 基本関数の nnn 次導関数

    (1x)(n)=(1)nn!xn+1\left(\frac{1}{x}\right)^{(n)} = \frac{(-1)^n \cdot n!}{x^{n+1}}
  • 5. ライプニッツの公式

    {f(x)g(x)}(n)=k=0n(nk)f(k)(x)g(nk)(x)\{f(x)g(x)\}^{(n)} = \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} f^{(k)}(x)\, g^{(n-k)}(x)

対数微分法・高階導関数【対数を使った微分・n次導関数】

複雑な積・商の形や f(x)g(x)f(x)^{g(x)} の形の関数は、通常の微分では計算が大変です。そこで威力を発揮するのが対数微分法です。また、微分を繰り返し行う高階導関数も数学IIIの重要テーマです。

1. 対数微分法とは

y=f(x)y = f(x) の両辺の絶対値の対数 logy\log|y| をとり、両辺を xx で微分して yy' を求める方法です。

1.1. 手順

  1. y=f(x)y = f(x) の両辺の対数をとる: logy=logf(x)\log|y| = \log|f(x)|
  2. 両辺を xx で微分する(左辺は yy\frac{y'}{y} となる)
  3. yy' について解く
  4. y=f(x)y = f(x) を代入して整理する

基礎となる公式:

ddx[logy]=yy=1ydydx\frac{d}{dx}[\log|y|] = \frac{y'}{y} = \frac{1}{y} \cdot \frac{dy}{dx}

2. 対数微分法の典型的な使い方

2.1. 積の形 y=f(x)g(x)h(x)y = f(x) \cdot g(x) \cdot h(x)

両辺の対数をとると和に変わるので計算が楽になります。

logy=logf(x)+logg(x)+logh(x)\log|y| = \log|f(x)| + \log|g(x)| + \log|h(x)|

2.2. 指数に変数を含む形 y=f(x)g(x)y = f(x)^{g(x)}

この形は対数をとらないと微分できません。

logy=g(x)logf(x)\log|y| = g(x) \cdot \log|f(x)|

両辺を xx で微分すると

yy=g(x)logf(x)+g(x)f(x)f(x)\frac{y'}{y} = g'(x)\log|f(x)| + g(x) \cdot \frac{f'(x)}{f(x)}

3. 例題(対数微分法)

問題1: y=xxy = x^xx>0x > 0)を微分しなさい。

解答:

両辺の対数をとります(x>0x>0 なので絶対値不要)。

logy=xlogx\log y = x \log x

両辺を xx で微分します。

yy=1logx+x1x=logx+1\frac{y'}{y} = 1 \cdot \log x + x \cdot \frac{1}{x} = \log x + 1

yy' を求めると

y=y(logx+1)=xx(logx+1)y' = y(\log x + 1) = x^x(\log x + 1)

問題2: y=(x+1)2x+2(x+3)3y = \dfrac{(x+1)^2 \sqrt{x+2}}{(x+3)^3}x>1x > -1 の範囲)を微分しなさい。

解答:

両辺の対数をとります。

logy=2log(x+1)+12log(x+2)3log(x+3)\log y = 2\log(x+1) + \frac{1}{2}\log(x+2) - 3\log(x+3)

両辺を xx で微分します。

yy=2x+1+12(x+2)3x+3\frac{y'}{y} = \frac{2}{x+1} + \frac{1}{2(x+2)} - \frac{3}{x+3}

yy' を求めます。

y=(x+1)2x+2(x+3)3(2x+1+12(x+2)3x+3)y' = \frac{(x+1)^2\sqrt{x+2}}{(x+3)^3} \left(\frac{2}{x+1} + \frac{1}{2(x+2)} - \frac{3}{x+3}\right)

4. 高階導関数

f(x)f(x)nn 回微分して得られる関数を**nn 次導関数**といい、f(n)(x)f^{(n)}(x) または dnydxn\dfrac{d^n y}{dx^n} と表します。

表記 意味
f(x)=f(1)(x)f'(x) = f^{(1)}(x) 1次導関数
f(x)=f(2)(x)f''(x) = f^{(2)}(x) 2次導関数
f(n)(x)f^{(n)}(x) nn 次導関数

4.1. 基本関数の nn 次導関数

(ex)(n)=ex\left(e^x\right)^{(n)} = e^x (sinx)(n)=sin ⁣(x+nπ2)(\sin x)^{(n)} = \sin\!\left(x + \frac{n\pi}{2}\right) (cosx)(n)=cos ⁣(x+nπ2)(\cos x)^{(n)} = \cos\!\left(x + \frac{n\pi}{2}\right) (xm)(n)=m(m1)(m2)(mn+1)xmn(mn の整数)\left(x^m\right)^{(n)} = m(m-1)(m-2)\cdots(m-n+1)\,x^{m-n} \quad (m \geq n \text{ の整数})

特に n=mn = m のとき (xn)(n)=n!(x^n)^{(n)} = n!n>mn > m のとき (xm)(n)=0(x^m)^{(n)} = 0

(1x)(n)=(1)nn!xn+1\left(\frac{1}{x}\right)^{(n)} = \frac{(-1)^n \cdot n!}{x^{n+1}}

5. ライプニッツの公式

f(x)f(x)g(x)g(x) の積の nn 次導関数は次のライプニッツの公式で求められます(二項定理と形が同じ)。

{f(x)g(x)}(n)=k=0n(nk)f(k)(x)g(nk)(x)\{f(x)g(x)\}^{(n)} = \sum_{k=0}^{n} \binom{n}{k} f^{(k)}(x)\, g^{(n-k)}(x)

ただし f(0)(x)=f(x)f^{(0)}(x) = f(x)g(0)(x)=g(x)g^{(0)}(x) = g(x)

6. 例題(高階導関数)

問題3: y=x2exy = x^2 e^xnn 次導関数を求めなさい。

解答:

ライプニッツの公式を使います。f(x)=exf(x) = e^xg(x)=x2g(x) = x^2 とおきます。

  • f(k)(x)=exf^{(k)}(x) = e^x(すべての kk に対して)
  • g(0)(x)=x2, g(1)(x)=2x, g(2)(x)=2, g(k)(x)=0 (k3)g^{(0)}(x) = x^2,\ g^{(1)}(x) = 2x,\ g^{(2)}(x) = 2,\ g^{(k)}(x) = 0\ (k \geq 3)

ライプニッツの公式の和は k=0,1,2k = 0, 1, 2 の項のみ残ります。

y(n)=(n0)exx2+(n1)ex2x+(n2)ex2y^{(n)} = \binom{n}{0}e^x \cdot x^2 + \binom{n}{1}e^x \cdot 2x + \binom{n}{2}e^x \cdot 2 =ex(x2+2nx+n(n1))= e^x\left(x^2 + 2nx + n(n-1)\right)

関連記事: 合成関数の微分 / 媒介変数表示の微分

7. クイズ

  1. 対数微分法を使って y=xsinxy = x^{\sin x}x>0x > 0)の yy' を求めなさい。

    正解: 両辺対数 logy=sinxlogx\log y = \sin x \cdot \log xxx で微分すると yy=cosxlogx+sinxx\dfrac{y'}{y} = \cos x \cdot \log x + \dfrac{\sin x}{x}。よって y=xsinx ⁣(cosxlogx+sinxx)y' = x^{\sin x}\!\left(\cos x \cdot \log x + \dfrac{\sin x}{x}\right)

  2. y=e3xy = e^{3x}nn 次導関数 y(n)y^{(n)} はいくらですか?

    正解: 3ne3x3^n e^{3x} y=3e3xy' = 3e^{3x}y=9e3x=32e3xy'' = 9e^{3x} = 3^2 e^{3x}、一般に y(n)=3ne3xy^{(n)} = 3^n e^{3x}

  3. y=sinxy = \sin x の第100次導関数 y(100)y^{(100)} はいくらですか?

    正解: sinx\sin x (sinx)(n)=sin(x+nπ2)(\sin x)^{(n)} = \sin(x + \frac{n\pi}{2})n=100n=100 のとき sin(x+50π)=sinx\sin(x + 50\pi) = \sin x

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