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解析 I (4回目)指数

\( f(x) = x \sqrt{x}\) の 導関数を求めよ

導関数は
\begin{align}f'(x) = \lim_{\Delta x\rightarrow 0} \frac{f( x+{\Delta x} ) - f(x)}{\Delta x}\end{align}
\( f( x ) = x \sqrt{x } \) の式中の $x$ は「記入欄」だと思って
\( f( ) = ( ) \sqrt{( ) \ } \) と書き、

\( f( x+{\Delta x} ) = (x+{\Delta x}) \ \sqrt{(x+{\Delta x}) \ } \)

これを代入
\begin{align}f'(x) &=& \lim_{\Delta x\rightarrow 0}  \frac{\quad f( x+{\Delta x} )  - f(x) }{\Delta x} \\ \\ &=& \lim_{\Delta x\rightarrow 0} \frac{ (x+{\Delta x}) \ \sqrt{ x+{\Delta x} \ } - x \sqrt{ x } }{\Delta x} \end{align}
ルートのついた数どうしは
そのままでは引き算できないので
ルート外すために
上下に \( \{(x+{\Delta x}) \sqrt{ x+{\Delta x} \ } + x \sqrt{ x }\} \)をかけて \begin{align}f'(x) &=& \lim_{\Delta x\rightarrow 0} \frac { \{(x+{\Delta x}) \sqrt{ x+{\Delta x} \ } - x \sqrt{ x }\}\cdot \{(x+{\Delta x}) \sqrt{ x+{\Delta x} \ } + x \sqrt{ x }\}\quad } {\   \Delta x  \cdot \quad \{(x+{\Delta x}) \sqrt{ x+{\Delta x} \ } + x \sqrt{ x }\} } \end{align}
$(a-b)(a+b)$の形なので、$a^2-b^2$の形になり \begin{align}f'(x) &=& \lim_{\Delta x\rightarrow 0} \frac { \{(x+{\Delta x}) \sqrt{ x+{\Delta x} \ }\}^2 - \{x \sqrt{ x }\}^2 } {  \Delta x \cdot \ \{(x+{\Delta x}) \sqrt{ x+{\Delta x} \ } + x \sqrt{ x }\} \quad }\quad \\ \\ &=& \lim_{\Delta x\rightarrow 0} \frac { (x+{\Delta x})^2 \sqrt{ x+{\Delta x} \ }^2 - x^2 \sqrt{ x }^2 } {  \Delta x \cdot \ \{(x+{\Delta x}) \sqrt{ x+{\Delta x} \ } + x \sqrt{ x }\} \quad }\quad \\ \\ &=& \lim_{\Delta x\rightarrow 0} \frac { (x+{\Delta x})^2 ( x+{\Delta x}) - x^2 x } {  \Delta x \cdot \ \{(x+{\Delta x}) \sqrt{ x+{\Delta x} \ } + x \sqrt{ x }\} \quad }\quad\\ \\ &=& \lim_{\Delta x\rightarrow 0} \frac { (x+{\Delta x})^3 - x^3 } {  \Delta x \cdot \ \{(x+{\Delta x}) \sqrt{ x+{\Delta x} \ } + x \sqrt{ x }\} \quad }\quad \end{align}
\( (x+{\Delta x})^3\) を地道に計算すると \begin{align}f'(x) &=& \lim_{\Delta x\rightarrow 0} \frac { x^3 +3x^2{\Delta x}+3x(\Delta x)^2+  ({\Delta x})^3 - x^3 } {  \Delta x \cdot \ \{(x+{\Delta x}) \sqrt{ x+{\Delta x} \ } + x \sqrt{ x }\} \quad }\quad \end{align}
$x^3$ から$x^3$ をひいて \begin{align}f'(x) &=& \lim_{\Delta x\rightarrow 0} \frac { \quad 3x^2{\Delta x}+3x(\Delta x)^2+  ({\Delta x})^3 \quad } {  \Delta x \cdot \ \{(x+{\Delta x}) \sqrt{ x+{\Delta x} \ } + x \sqrt{ x }\} \quad }\quad \end{align}
分子はすべてに $\Delta x$ がかかっているので、これを外に出すように因数分解して \begin{align}f'(x) &=& \lim_{\Delta x\rightarrow 0} \frac {\Delta x \cdot \ \{ 3x^2 + 3x \Delta x + ({\Delta x})^2 \} \quad } {  \Delta x \cdot \ \{(x+{\Delta x}) \sqrt{ x+{\Delta x} \ } + x \sqrt{ x }\} \quad }\quad \end{align}
$\Delta x$ で約分して \begin{align}f'(x) &=& \lim_{\Delta x\rightarrow 0} \frac { \{ \quad 3x^2 + 3x \Delta x + ({\Delta x})^2 \} \quad } {   \{(x+{\Delta x}) \sqrt{ x+{\Delta x} \ } + x \sqrt{ x }\} \quad }\quad \end{align}
分母に単体の $\Delta x$ がなくなったので、 \( \Delta x\rightarrow 0 \) \begin{align}f'(x) &=&\frac { 3x^2 + 3x \cdot 0 + 0 \quad } {   (x+ 0 ) \sqrt{ x+ 0 \ } + x \sqrt{ x } \quad }\quad \\ \\ &=&\frac { \quad 3x^2 + 0 + 0 \quad \quad \quad} {   x \sqrt{ x \ } + x \sqrt{ x } \quad }\quad \quad \\ \\ &=&\frac { 3x^2 }{  2 x \sqrt{ x \ } }\quad \quad \quad \\ \\ &=&\frac { 3x\cdot x}{  2 x \sqrt{ x \ } }\quad \quad \quad \end{align} $x$で約分して \begin{align}f'(x) &=&\frac { 3x }{  2 \sqrt{ x \ } } \\ \\ &=&\frac { 3\sqrt{ x \ }\sqrt{ x \ } }{  2 \sqrt{ x \ } } \end{align}
$\sqrt{ x \ }$で約分して \begin{align}f'(x) &=&\frac { 3\sqrt{ x \ } }{  2 }\quad \end{align}
これで完成です。まとめると、 \( f(x) = x \sqrt{x}\) の 導関数は \begin{align}f'(x) = \frac { 3\sqrt{ x \ } }{ 2 }\quad \end{align} これを \begin{align} (\ x \sqrt{x}\ )' = \frac { 3\sqrt{ x \ } }{ 2 } \end{align} とかきます。

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