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) 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) の両辺の絶対値の対数 log∣y∣ をとり、両辺を x で微分して y′ を求める方法です。
1.1. 手順
- y=f(x) の両辺の対数をとる: log∣y∣=log∣f(x)∣
- 両辺を x で微分する(左辺は yy′ となる)
- y′ について解く
- y=f(x) を代入して整理する
基礎となる公式:
dxd[log∣y∣]=yy′=y1⋅dxdy
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)
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。
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)
この形は対数をとらないと微分できません。
log∣y∣=g(x)⋅log∣f(x)∣
両辺を x で微分すると
yy′=g′(x)log∣f(x)∣+g(x)⋅f(x)f′(x)
3. 例題(対数微分法)
問題1: y=xx (x>0)を微分しなさい。
解答:
両辺の対数をとります(x>0 なので絶対値不要)。
logy=xlogx
両辺を x で微分します。
yy′=1⋅logx+x⋅x1=logx+1
y′ を求めると
y′=y(logx+1)=xx(logx+1)
問題2: y=(x+3)3(x+1)2x+2(x>−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)+21log(x+2)−3log(x+3)
両辺を x で微分します。
yy′=x+12+2(x+2)1−x+33
y′ を求めます。
y′=(x+3)3(x+1)2x+2(x+12+2(x+2)1−x+33)
4. 高階導関数
f(x) を n 回微分して得られる関数を**n 次導関数**といい、f(n)(x) または dxndny と表します。
| 表記 |
意味 |
| f′(x)=f(1)(x) |
1次導関数 |
| f′′(x)=f(2)(x) |
2次導関数 |
| f(n)(x) |
n 次導関数 |
4.1. 基本関数の n 次導関数
(ex)(n)=ex
(sinx)(n)=sin(x+2nπ)
(cosx)(n)=cos(x+2nπ)
(xm)(n)=m(m−1)(m−2)⋯(m−n+1)xm−n(m≥n の整数)
特に n=m のとき (xn)(n)=n!、n>m のとき (xm)(n)=0。
(x1)(n)=xn+1(−1)n⋅n!
5. ライプニッツの公式
f(x) と g(x) の積の n 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=0∑n(kn)f(k)(x)g(n−k)(x)
ただし f(0)(x)=f(x)、g(0)(x)=g(x)。
6. 例題(高階導関数)
問題3: y=x2ex の n 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)=ex、g(x)=x2 とおきます。
- f(k)(x)=ex(すべての k に対して)
-
g(0)(x)=x2, g(1)(x)=2x, g(2)(x)=2, g(k)(x)=0 (k≥3)
ライプニッツの公式の和は k=0,1,2 の項のみ残ります。
y(n)=(0n)ex⋅x2+(1n)ex⋅2x+(2n)ex⋅2
=ex(x2+2nx+n(n−1))
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7. クイズ
-
対数微分法を使って y=xsinx(x>0)の y′ を求めなさい。
正解: 両辺対数 logy=sinx⋅logx を x で微分すると yy′=cosx⋅logx+xsinx。よって y′=xsinx(cosx⋅logx+xsinx)。
-
y=e3x の n 次導関数 y(n) はいくらですか?
正解: 3ne3x
y′=3e3x、y′′=9e3x=32e3x、一般に y(n)=3ne3x。
-
y=sinx の第100次導関数 y(100) はいくらですか?
正解: sinx
(sinx)(n)=sin(x+2nπ)。n=100 のとき sin(x+50π)=sinx。