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微積分I 演習 ( 第 5 回演習問題の解答 )

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Academic year: 2021

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(1)

微積分I 演習 ( 第 5 回演習問題の解答 )

問題

5-1

次の関数の

n

階微分を計算せよ。

(1) cos x (2) e

x

sin x (3) log x

(解)

(1) (cos x)

= sin x = cos

x + π

2

である。

(cos x)

(n−1)

= cos

x + (n 1)π 2

«

と仮定する。

(cos x)

(n)

= d dx cos

x + (n 1)π 2

«

= sin

x + (n 1)π 2

«

= cos “ x +

2

ゆえに帰納法により、

(cos x)

(n)

= cos “ x +

2

である。

(2) (e

x

sin x)

= e

x

sin x + e

x

cos x =

2 e

x

sin(x + π

4 )

である。

(e

x

sin x)

(n1)

= 2

n−12

e

x

sin

x + (n 1)π 4

«

と仮定する。このとき、

(e

x

sin x)

(n)

= 2

n−12

e

x

sin(x + (n 1)π

4 ) + cos(x + (n 1)π

4 )

«

= 2

n2

e

x

sin “ x +

4

ゆえに、帰納法から、

(e

x

sin x)

(n)

= 2

n2

e

x

sin “

x + 4

が成り立つ。

(3) (log x)

= 1

x

である。

(log x)

(n−1)

= ( 1)

n−2

(n 2)! 1

x

n−1 と仮定する。(

0! = 1

と定義する。)このとき、

(log x)

(n)

= ( 1)

n−2

(n 2)!( n+1)) 1

x

n

= ( 1)

n−1

(n 1)! 1

x

nとなる。ゆえに、帰納法から、

(log x)

(n)

= ( 1)

n−1

(n 1)! 1 x

n が成り立つ。

問題

5-2

 次の

n

階微分を計算せよ。

(1) 1

x

2

x 2 (2)x

3

e

2x

(解)

(1) 1

x

2

x 2 = 1 3

„ 1

x 2 1 x + 1

«

である。

一般に、

(x

α

)

(n)

= α(α 1) · · · n + 1)x

α−nであることを使うと、

„ 1 x

2

x 2

«

(n)

= 1 3

„ (−1)(−2) · · · (−n)

(x 2)

n+1

(−1)(−2) · · · (−n) (x + 1)

n+1

«

= (−1)

n

n!

3

„ 1

(x 2)

n+1

1 (x + 1)

n+1

« (2) n = 1

のとき、

(x

3

e

2x

)

= 3x

2

e

2x

+ x

3

2e

2x

= (2x

3

+ 3x

2

)e

2x

n = 2

のとき、

(x

3

e

2x

)

′′

= ((2x

3

+ 3x

2

)e

2x

)

= (6x

2

+ 6x)e

2x

+ 2(2x

3

+ 3x

2

)e

2x

= (4x

3

+ 12x

2

+ 6x)e

x ライプニッツの公式から、

n 3

のとき、

X

n

r=0

n r

!

(x

3

)

(r)

(e

2x

)

(nr)

= 2

n

e

2x

X

3

r=0

n r

!

(x

3

)

(r)

2

r

= 2

n

e

2x

(x

3

+ n · 3x

2

2

1

+ n(n 1)

2 6 · x · 2

2

+ n(n 1)(n 2)

6 · 6 · 2

3

)

= 2

n

e

2x

x

3

+ 3

2 nx

2

+ 3n(n 1)

4 x + n(n 1)(n 2) 8

«

= 2

n−3

e

2x

(8x

3

+ 12nx

2

+ 6n(n 1)x + n(n 1)(n 2))

問題

5-3

 次の等式を証明せよ。

X

n

r=0

n r

!

(−2)

r

= (−1)

n

(解)

1

(2)

(e

2x

e

x

)

(n)を計算する。このとき、ライプニッツの公式から

X

n

r=0

n r

!

(e

−2x

)

(r)

(e

x

)

(n−r)

= X

n

r=0

n r

!

( 2)

r

e

−2x

e

x

= e

−x

X

n

r=0

n r

! ( 2)

r

一方、

(e

−2x

e

x

)

(n)

= (e

−x

)

(n)

= ( 1)

n

e

−x ゆえに、

e

−x

X

n

r=0

n r

!

( 2)

r

= ( 1)

n

e

−xが成り立つ。両辺に

x = 0

を代入して、

X

n

r=0

n r

!

( 2)

r

= ( 1)

nがいえる。

問題

5-4

(1)

3

0.99, (2) cos

„ 61 180 π

«

の近似を計算せよ。

(解)

一次近似を用いて計算する。

(1) (0.99)

13

= . . 1 1

3 · 0.01 = 1 0, 003333. · · · = . . 0.99666 (2) cos

π 3 + π

180

= . . cos π

3 sin π 3 · π

180 = 1 2

360 = 0.5 0.015114... = . . 0.48488

2

参照