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Calculus · real student question

y = (x - 1)^x の導関数を求めよ。

Question

次の関数の導関数を求めよ。

y=(x−1)xy=(x-1)^x

Step-by-step solution

  1. なぜ標準の公式が使えないかを押さえる。 指数法則 ddxxn=nxn−1\frac{d}{dx}x^n=nx^{n-1} は指数が定数であることを要求し、指数関数の公式 ddxax=axln⁡a\frac{d}{dx}a^x=a^x\ln a は底が定数であることを要求する。ここでは底 x−1x-1 も指数 xx も変数なので、どちらの公式も使えず、混ぜて使えば無意味な式になる。ここで効くのが対数微分法である。

  2. まず定義域を述べる。 (x−1)x(x-1)^x が指数の変わる実数乗として定義されるためには、底が正でなければならない:

    x−1>0⟺x>1x-1>0\qquad\Longleftrightarrow\qquad x>1

    以下の議論はすべて (1,∞)(1,\infty) 上で有効であり、そこはちょうど ln⁡(x−1)\ln(x-1) が意味をもつ範囲でもある。

  3. 両辺の自然対数をとる。 対数は指数を係数に変える。それがこの操作の目的である:

    ln⁡y=ln⁡((x−1)x)=xln⁡(x−1)\ln y=\ln\bigl((x-1)^x\bigr)=x\ln(x-1)

    右辺はもう、見慣れた2つの関数の普通の積である。

  4. 両辺を xx で微分する。 左辺では yy が xx の関数なので、連鎖律から 1y y′\frac{1}{y}\,y' が出る。ここで陰関数微分が入ってくる。右辺には積の微分法を使う:

    ddx(xln⁡(x−1))=1⋅ln⁡(x−1)+x⋅1x−1\frac{d}{dx}\bigl(x\ln(x-1)\bigr)=1\cdot\ln(x-1)+x\cdot\frac{1}{x-1}

    よって

    y′y=ln⁡(x−1)+xx−1\frac{y'}{y}=\ln(x-1)+\frac{x}{x-1}

  5. y′y' について解き、もとの関数を代入し戻す。 両辺に yy を掛け、y=(x−1)xy=(x-1)^x を代入すると:

     y′=(x−1)x(ln⁡(x−1)+xx−1) \boxed{\,y'=(x-1)^x\left(\ln(x-1)+\frac{x}{x-1}\right)\,}

    答えにはもとの式が因子として必ず現れる。これは対数微分法の典型で、先頭の (x−1)x(x-1)^x を落とすのがよくある誤りである。

  6. 数値で確かめる。 x=3x=3 ではこの式から 23(ln⁡2+32)=8(0.6931+1.5)≈17.5452^3\left(\ln 2+\tfrac{3}{2}\right)=8(0.6931+1.5)\approx 17.545 が得られる。(x−1)x(x-1)^x の x=3x=3 における中心差分(h=10−6h=10^{-6})は 17.545217.5452 を返すので、導関数は正しい。同じ型はどんな f(x)g(x)f(x)^{g(x)} にも使え、その導関数は fg(g′ln⁡f+gf′f)f^g\left(g'\ln f+\frac{gf'}{f}\right) である。

Answer

(x−1)x(ln⁡(x−1)+xx−1),x>1(x-1)^x\left(\ln(x-1)+\frac{x}{x-1}\right),\qquad x>1

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