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
xsin 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 + nπ
2
”
ゆえに帰納法により、
(cos x)
(n)= cos “ x + nπ
2
”
である。
(2) (e
xsin x)
′= e
xsin x + e
xcos x = √
2 e
xsin(x + π
4 )
である。(e
xsin x)
(n−1)= 2
n−12e
xsin
„
x + (n − 1)π 4
«
と仮定する。このとき、
(e
xsin x)
(n)= 2
n−12e
x„
sin(x + (n − 1)π
4 ) + cos(x + (n − 1)π
4 )
«
= 2
n2e
xsin “ x + nπ
4
”
ゆえに、帰納法から、(e
xsin x)
(n)= 2
n2e
xsin “
x + nπ 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
3e
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) · · · (α − 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)
nn!
3
„ 1
(x − 2)
n+1− 1 (x + 1)
n+1« (2) n = 1
のとき、(x
3e
2x)
′= 3x
2e
2x+ x
32e
2x= (2x
3+ 3x
2)e
2xn = 2
のとき、(x
3e
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
nr=0
n r
!
(x
3)
(r)(e
2x)
(n−r)= 2
ne
2xX
3r=0
n r
!
(x
3)
(r)2
−r= 2
ne
2x(x
3+ n · 3x
22
−1+ n(n − 1)
2 6 · x · 2
−2+ n(n − 1)(n − 2)
6 · 6 · 2
−3)
= 2
ne
2x„ x
3+ 3
2 nx
2+ 3n(n − 1)
4 x + n(n − 1)(n − 2) 8
«
= 2
n−3e
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
nr=0
n r
!
(−2)
r= (−1)
n(解)
1
(e
−2xe
x)
(n)を計算する。このとき、ライプニッツの公式からX
nr=0
n r
!
(e
−2x)
(r)(e
x)
(n−r)= X
nr=0
n r
!
( − 2)
re
−2xe
x= e
−xX
nr=0
n r
! ( − 2)
r一方、
(e
−2xe
x)
(n)= (e
−x)
(n)= ( − 1)
ne
−x ゆえに、e
−xX
nr=0
n r
!
( − 2)
r= ( − 1)
ne
−xが成り立つ。両辺にx = 0
を代入して、X
nr=0
n r
!
( − 2)
r= ( − 1)
nがいえる。■ 問題
5-4
(1) √
30.99, (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 −
√ 3π
360 = 0.5 − 0.015114... = . . 0.48488
■