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数学 Ⅲ

1. 分数関数

  • 基本形
\[ y = \frac{k}{x-p} + q \]
  • 派生形
\[ y = \frac{ax+b}{bx+d} \]
  • ex) 分子(2x+1)を分母(x+1)で割ると、2 余り 1
\[ y = \frac{2x+1}{x+1} = \frac{2(2x+1)-1}{x+1} = \frac{2(x+1)}{x+1} - \frac{-1}{x+1} = 2 - \frac{-1}{x+1} \]

2. 極限

3. 微分

3.1. 導関数

\[ f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{f(x+h)-f(x)}{h} \]
\[ (x^{n})' = nx^{n-1} \]
\[ \{k{f(x)'}\} = kf'(x) \]
\[ \{{f(x)'} + g(x)'\} = f'(x) + g'(x) \]
\[ \{k{f(x)'} + lg(x)'\} = kf'(x) + lg'(x) \]
  • 積の微分法(積の導関数)
\[ \{f(x)g(x)\}' = f'(x)g(x) + f(x)g'(x) \]

ex)

\[ y = (2x)(3x) \]
\[ y' = 2 \times (3x) + (2x)\times 3 \]
  • 商の微分法(商の導関数)
\[ \{\frac{f(x)}{g(x)}\}' = \frac{f'(x)g(x) - f(x)g'(x)}{\{g(x)^{2}\}} \]
  • 分子が 1 の場合、以下の公式が使える
    マイナスがつくことに注意
\[ \{\frac{1}{g(x)}\}' = \color{red}-\color{black} \frac{g(x)'}{\{g(x)^{2}\}} \]
  • ex)
\[ \{\frac{1}{2x+3}\}' = - \frac{2}{(2x+3)^{2}} \]

3.2. 合成関数

  • xx
\[ \{\frac{f(x)}{g(x)}\}' = \frac{f'(x)g(x) - f(x)g'(x)}{\{g(x)^{2}\}} \]
  • ex)

$$ y=(x^{3})^{2}

$$

\[ y'=((x^{3})^{2})' \times (x^{3})' = 2(x^{3}) \times (3x^{2}) \]

3.3. 逆関数の導関数

  • 公式
\[ (x^{r})' = rx^{r-1} \]
  • ex)
\[ y = \sqrt[5]{x^{2}} \]
\[ y' = x^{\frac{2}{5} - 1} = \frac{2}{5} \times x^{- \frac{3}{5}} = \frac{2}{5 \sqrt[5]{x^{3}}} \]

3.4. 三角関数の導関数

  • sin の微分
\[ (\sin{x})' = \cos{x} \]
  • cos の微分
\[ (\cos{x})' = -\sin{x} \]
  • tan の微分
\[ (\tan{x})' = \frac{1}{\cos{x}^{2}} \]
  • tan の微分
\[ (\frac{1}{\tan{x}})' = - \frac{1}{\sin{x}^{2}} \]
  • ex) 合成関数の公式と三角関数の公式を組み合わせる
\[ y = \sin^{2}{x} \]
\[ u = \sin{x} , y = (u)^2 \]
\[ \frac{dy}{dx} = \frac{dy}{du} \times \frac{du}{dx} = (u^2)' \times (\sin{x})' = 2u \times \cos{x} = 2(sin{x}) \times \cos{x} = 2\sin{x}\cos{x} \]

3.5. 対数関数の導関数

  • 底が e の場合
\[ (\log{x})' = \frac{1}{x} \]
  • 底が e以外の場合
\[ (\log_{a}{x})' = \frac{1}{xlog{a}} \]
  • 底が e の場合で、絶対値有り
\[ (\log{|x|})' = \frac{1}{x} \]
  • 底が e以外の場合で、絶対値有り
\[ (\log_{a}{|x|})' = \frac{1}{xlog{a}} \]

3.6. 指数関数の導関数

  • 基数が e の場合
\[ (e^{x})' = e^{x} \]
  • 基数が e以外の場合
\[ (a^{x})' = a^{x} \times \log{a} \]
  • ex 合成関数を組み合わせる
\[ y' = (e^{-x^{2}})' = e^{-x^{2}} \times (-x^{2})' = -2xe^{-x^{2}} \]

4. 積分

4.1. 不定積分

  • a != 1 のとき
\[ \int x^{a} dx = \frac{1}{a+1} \cdot x^{a+1} + C \]
  • a = -1
\[ \int \frac{1}{x} dx = \log |x| + C \]
  • ex
\[ \int \frac{1}{x^{4}} dx = (x^{-4}) dx = \frac{1}{-4+1} \cdot x^{-4+1} = - \frac{1}{3x^{3}} + C \]

4.2. 三角関数の不定積分

\[ \int \sin{x} dx = -\cos{x} + C \]
\[ \int \cos{x} dx = \sin{x} + C \]
\[ \int \frac{1}{\cos^{2}{x} } dx = \tan{x} + C \]
\[ \int \frac{1}{\sin^{2}{x} } dx = - \frac{1}{\tan{x}} + C \]

4.3. 指数関数の不定積分

\[ \int e^{x}dx = e^{x} + C \]
\[ \int a^{x}dx = \frac{a^{x}}{log{a}} + C \]

4.4. 対数関数の不定積分

\[ \int log{x}dx = \int 1 \times log{x}dx = xlogx - x + c \]

4.5. 三角関数の不定積分

\[ \sin{x} \cos{x} = \frac{sin2x}{1} \]
\[ \sin^{2}{x} = \frac{1 - cos2x}{2} \]
\[ \cos^{2}{x} = \frac{1 + cos2x}{2} \]
\[ \sin{\alpha} \cos{\beta} = \frac{1}{2}(\sin{\alpha + \beta} + \sin{\alpha - \beta}) \]
\[ \cos{\alpha} \sin{\beta} = \frac{1}{2}(\sin{\alpha + \beta} - \sin{\alpha - \beta}) \]

4.6. 回転体の体積

4.6.1. 回転体の体積

平面の体積を求めて、積分すると体積が求まる

\[ V=\int^b_aS(x)dx \]

4.6.2. ex(半径 3,高さ 5 の円錐の体積)

  1. 中学の辺と面積の相似比
\[ x : y = x^2 : y^2 \]
  1. 今回の問題に当てはめると、高さの比を相似で使う
\[ S(x) : S(5) = x^2 : 5^2 \]

\[ S(x) : \pi (3)^2 = x^2 : 5^2 \]

\[ S(x) = \frac{9 \pi x^2}{25} \]
  1. 面積を積分すると
\[ V = \int^5_0 (\frac{9 \pi x^2}{25}) dx \]

4.7. 4.6.曲線の長さ

4.7.1. y=f(x)の曲線の長さ

x,y を微分して三平方の定理で長さを求める。
それを積分することで求まる

\[ L = \int^b_a \sqrt(1+(f(x)')^2)dx \]