-光と光学に関連する用語の解説サイト-

対数関数と三角関数を含む関数を微分する問題

◆第問目!

【 数Ⅲ : 難易度 ★★ 】
 次の関数を微分せよ $${\displaystyle y=\log \sqrt{\frac{\cos x}{\sin x + 1}}}$$

対数関数は以下の公式から簡単な形に変形できます。

$$\begin{aligned} \hspace{10pt}\log_a M^b & =b \log_a M\hspace{10pt}\\[1em] \log_a \frac{M}{N} & = \log_a M - \log_a N\hspace{10pt}\\[0.5em] \end{aligned}$$

また、対数関数の微分公式 $$(\log x)' = \frac{1}{x }$$ と三角関数の微分公式 $$(\sin x)' = \cos x$$ から計算します。

【解答】

対数関数の公式

$$\begin{aligned} \hspace{10pt}\log_a M^b & =b \log_a M\hspace{10pt}\\[1em] \log_a \frac{M}{N} & = \log_a M - \log_a N\hspace{10pt}\\[0.5em] \end{aligned}$$

から問題の関数を変形すると

$$\begin{aligned} \hspace{10pt}y & =\log \sqrt{\frac{\cos x}{\sin x + 1}}\hspace{10pt}\\[1em] & = \frac{1}{2} \log \frac{\cos x}{\sin x + 1}\hspace{10pt}\\[1em] & = \frac{1}{2} (\log \cos x - \log (\sin x + 1))\\[1em] \end{aligned}$$

となります。

ここで、\(\log \cos x\hspace{1pt}\)を微分すると

$$\begin{aligned} \hspace{10pt} (\log \cos x)'& =\frac{1}{\cos x} \cdot (\cos x)'\hspace{10pt}\\[1em] & = \frac{1}{\cos x} \cdot (-\sin x)\hspace{10pt}\\[1em] & = -\frac{\sin x}{\cos x}\\[1em] \end{aligned}$$

となります。

また、\(\log( \sin x +1)\hspace{1pt}\)を微分すると

$$\begin{aligned} \hspace{10pt} (\log ( \sin x +1))'& =\frac{1}{\sin x +1} \cdot (\sin x +1)'\hspace{10pt}\\[1em] & = \frac{1}{\sin x +1} \cdot (\cos x)\hspace{10pt}\\[1em] & = \frac{\cos x}{\sin x +1} \\[1em] \end{aligned}$$

となります。

以上から

$$\begin{aligned} \hspace{10pt}y' & =\frac{1}{2} ((\log \cos x)' - (\log (\sin x + 1))')\hspace{10pt}\\[1em] & = \frac{1}{2} \left(-\frac{\sin x}{\cos x} - \frac{\cos x}{\sin x +1}\right)\hspace{10pt}\\[1em] & = -\frac{1}{2} \frac{\sin x(\sin x +1)+\cos^2 x}{\cos x (\sin x +1)} \hspace{10pt}\\[1em] & = -\frac{1}{2} \frac{\sin x +1}{\cos x (\sin x +1)} \hspace{10pt}\\[1em] & = - \frac{1}{2\cos x} \hspace{10pt}\\[1em] \end{aligned}$$

となります。

【関連するページ】
対数関数の微分公式

三角関数の微分公式

対数の公式

出題範囲】 【難易度



 




Copyright (c) 光学技術の基礎用語 All Rights Reserved.