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数学III

三角さんかく指数しすう対数たいすう微分びぶん

最終確認日:

このしょうまなぶこと

だい 3 しょうぶんどう (積の微分せきのびぶん商の微分しょうのびぶん連鎖律れんさりつ) をそろえました。 このしょうでは、 高校こうこうてくる ほんかんすうぶんこうしきいっさえます。

  • さんかくかんすうぶん (sinx)=cosx(\sin x)' = \cos x
  • 指数関数しすうかんすう exe^xaxa^xぶん
  • 対数関数たいすうかんすう logx\log xlogax\log_a xぶん
  • 対数微分法たいすうびぶんほう (y=xxy = x^x のようなかたち)
  • だい 2 階導関数どうかんすう高階導関数こうかいどうかんすう (かんたんに)

ポイント: ぜんこうしきだい 2 しょうきょくげん (sinx/x1\sin x / x \to 1(ex1)/x1(e^x - 1)/x \to 1 など) からみちびかれます。 あんするだけでなく 「なぜこうなるか」 をあくするとおうようがきく。

1. 三角さんかく関数かんすう微分びぶん

sin の微分びぶん (導出どうしゅつ)

ていより、

(sinx)=limh0sin(x+h)sinxh(\sin x)' = \lim_{h \to 0} \dfrac{\sin(x + h) - \sin x}{h}

加法定理かほうていり: sin(x+h)=sinxcosh+cosxsinh\sin(x+h) = \sin x \cos h + \cos x \sin hだいにゅうして、

=limh0sinx(cosh1)+cosxsinhh=sinx0+cosx1=cosx= \lim_{h \to 0} \dfrac{\sin x (\cos h - 1) + \cos x \sin h}{h} = \sin x \cdot 0 + \cos x \cdot 1 = \cos x

(きょくげん cosh1h0\dfrac{\cos h - 1}{h} \to 0sinhh1\dfrac{\sin h}{h} \to 1よう。)

基本きほん公式こうしき

かんすう導関数どうかんすう
sinx\sin xcosx\cos x
cosx\cos xsinx-\sin x
tanx\tan x1cos2x\dfrac{1}{\cos^2 x}
1tanx=cotx\dfrac{1}{\tan x} = \cot x1sin2x-\dfrac{1}{\sin^2 x}

おぼかた: 「sin → cos → -sin → -cos → sin → ...」 と 4 周期しゅうきまわる。 ぶんするたびに 90°90°すすおぼえるりゅうも。

れい 1 連鎖れんさりつ組み合わせくみあわせ

y=sin3(2x)y = \sin^3(2x)ぶんそとからはがす:

y=3sin2(2x)cos(2x)2=6sin2(2x)cos(2x)y' = 3\sin^2(2x) \cdot \cos(2x) \cdot 2 = 6 \sin^2(2x) \cos(2x)

れい 2 せきと商

y=xcosxy = x \cos xy=cosx+x(sinx)=cosxxsinxy' = \cos x + x \cdot (-\sin x) = \cos x - x \sin x

y=sinxxy = \dfrac{\sin x}{x}y=xcosxsinxx2y' = \dfrac{x \cos x - \sin x}{x^2}

2. 指数しすう関数かんすう微分びぶん

exe^x微分びぶん

(ex)=limh0ex+hexh=exlimh0eh1h=ex1=ex(e^x)' = \lim_{h \to 0} \dfrac{e^{x+h} - e^x}{h} = e^x \cdot \lim_{h \to 0} \dfrac{e^h - 1}{h} = e^x \cdot 1 = e^x

おどろき: exe^xぶんしてもぶんしん という、 ゆいいつかんすう。 このせいしつこそがだい 2 しょうee を 「自しぜんそこ」 としてていするゆうでした。

一般いっぱんの底axa^x

a>0a > 0a1a \neq 1 のとき、 ax=exlogaa^x = e^{x \log a}けるので、 連鎖律れんさりつで:

(ax)=exlogaloga=axloga(a^x)' = e^{x \log a} \cdot \log a = a^x \log a

かんすう導関数どうかんすう
exe^xexe^x
axa^xaxlogaa^x \log a
ekxe^{kx}kekxk e^{kx}
ef(x)e^{f(x)}f(x)ef(x)f'(x) e^{f(x)}

れい 3 物理ぶつりへの応用おうよう

放射性ほうしゃせい崩壊ほうかいのモデル N(t)=N0eλtN(t) = N_0 e^{-\lambda t}たんかんあたりのげんしょうりょう:

dNdt=λN0eλt=λN(t)\dfrac{dN}{dt} = -\lambda N_0 e^{-\lambda t} = -\lambda N(t)

いまのこっているりょうれいして」 というせいしつ数式すうしきてきます。

3. 対数たいすう関数かんすう微分びぶん

logx\log x微分びぶん (導出どうしゅつ)

y=logxy = \log xぎゃくかんすうx=eyx = e^y逆関数の微分ぎゃくかんすうのびぶん (だい 3 しょう) で、

dydx=1dx/dy=1ey=1x\dfrac{dy}{dx} = \dfrac{1}{dx/dy} = \dfrac{1}{e^y} = \dfrac{1}{x}

大事だいじ: (logx)=1x(\log x)' = \dfrac{1}{x}数学すうがく III でもっともよく使つかこうしきのひとつだい 6 しょう積分せきぶん1xdx=logx+C\int \dfrac{1}{x} dx = \log |x| + C として ぎゃく にもとうじょう

一般いっぱんの底logax\log_a x

logax=logxloga\log_a x = \dfrac{\log x}{\log a} (ていへんかん)。 分母ぶんぼていすうなので、

(logax)=1xloga(\log_a x)' = \dfrac{1}{x \log a}

かんすう導関数どうかんすう
logx\log x1x\dfrac{1}{x}
logx\log \lvert x \rvert1x\dfrac{1}{x} (x0x \neq 0)
logax\log_a x1xloga\dfrac{1}{x \log a}
logf(x)\log f(x)f(x)f(x)\dfrac{f'(x)}{f(x)}

れい 4 log(cosx)\log(\cos x)微分びぶん

y=log(cosx)y = \log(\cos x)y=sinxcosx=tanxy' = \dfrac{-\sin x}{\cos x} = -\tan x

おうよう: tanxdx=logcosx+C\int \tan x \, dx = -\log|\cos x| + C という積分せきぶんこうしきこのぶん からみちびかれます (だい 6 しょう)。

4. 対数たいすう微分びぶんほう

使つか場面ばめん

  • y=xxy = x^x のような そこすうへんすう
  • せきしょうふくざつなとき (れい: y=(x+1)3x2(x+3)2y = \dfrac{(x+1)^3 \sqrt{x-2}}{(x+3)^2})

手順てじゅん

  1. 両辺りょうへんぜったいあたいたいすう
  2. 陰関数いんかんすうとして xxぶん
  3. yy'

れい 5 y=xxy = x^x微分びぶん

両辺りょうへんたいすう: logy=xlogx\log y = x \log xxxぶん (陰関数いんかんすうとして):

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

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

れい 6 複雑ふくざつせきしょう

y=(x+1)3x2(x+3)2y = \dfrac{(x+1)^3 \sqrt{x-2}}{(x+3)^2}ぶん両辺りょうへんlog\log で、

logy=3logx+1+12logx22logx+3\log|y| = 3\log|x+1| + \dfrac{1}{2}\log|x-2| - 2\log|x+3|

xxぶん:

yy=3x+1+12(x2)2x+3\dfrac{y'}{y} = \dfrac{3}{x+1} + \dfrac{1}{2(x-2)} - \dfrac{2}{x+3}

最後さいごyy をかけてしゅうりょう商の微分しょうのびぶんをそのまま使つかうより はるらく

5. 高階たかしなどう関数かんすう

定義ていぎ

導関数どうかんすうをさらにぶんしたものをだい 2 階導関数どうかんすうい、

f(x), d2ydx2, yf''(x),\ \dfrac{d^2 y}{dx^2},\ y''

きます。 同様どうように第nn導関数どうかんすう f(n)(x)f^{(n)}(x)ていされます。

れい 7 三角さんかく関数かんすう

f(x)=sinxf(x) = \sin x高階たかしなぶん:

nnf(n)(x)f^{(n)}(x)
1cosx\cos x
2sinx-\sin x
3cosx-\cos x
4sinx\sin x

しゅう 4もともどる。 いっぱんf(n)(x)=sin(x+nπ2)f^{(n)}(x) = \sin\left( x + \dfrac{n\pi}{2} \right)

れい 8 指数しすう関数かんすう

f(x)=e2xf(x) = e^{2x}nn階: f(n)(x)=2ne2xf^{(n)}(x) = 2^n e^{2x}

おうよう: だい 2 階導関数どうかんすう f(x)f''(x)だい 5 しょう凹凸おうとつ変曲点へんきょくてん調しらべるために使つかいます。 ぶつでは 「加速度かそくど」 が 「だい 2 かいぶん」。

6. しょうまつまとめ

かんすう導関数どうかんすう
sinx\sin xcosx\cos x
cosx\cos xsinx-\sin x
tanx\tan x1/cos2x1/\cos^2 x
exe^xexe^x
axa^xaxlogaa^x \log a
logx\log x1/x1/x
logax\log_a x1/(xloga)1/(x \log a)
ほう使つかいどころ
連鎖律れんさりつ合成ごうせいされたかんすう
対数微分法たいすうびぶんほうxxx^x型・ふくざつせきしょう
陰関数微分いんかんすうびぶん2 曲線きょくせんなど
高階たかしなぶん凹凸おうとつ加速度かそくど

しょうへ: ここまでのこうしきをフル活用かつようして、 だい 5 しょうかんすう増減ぞうげん極値きょくち凹凸おうとつ変曲点へんきょくてんグラフぐらふの概けいえがれんしゅうをします。

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