$$$\frac{1}{1 + e^{- x}}$$$ の二階導関数

一階導関数 $$$\frac{d}{dx} \left(\frac{1}{1 + e^{- x}}\right)$$$ を求めよ

関数$$$\frac{1}{1 + e^{- x}}$$$は、2つの関数$$$f{\left(u \right)} = \frac{1}{u}$$$と$$$g{\left(x \right)} = 1 + e^{- x}$$$の合成$$$f{\left(g{\left(x \right)} \right)}$$$である。

連鎖律 $$$\frac{d}{dx} \left(f{\left(g{\left(x \right)} \right)}\right) = \frac{d}{du} \left(f{\left(u \right)}\right) \frac{d}{dx} \left(g{\left(x \right)}\right)$$$ を適用する:

$${\color{red}\left(\frac{d}{dx} \left(\frac{1}{1 + e^{- x}}\right)\right)} = {\color{red}\left(\frac{d}{du} \left(\frac{1}{u}\right) \frac{d}{dx} \left(1 + e^{- x}\right)\right)}$$

冪法則 $$$\frac{d}{du} \left(u^{n}\right) = n u^{n - 1}$$$ を $$$n = -1$$$ に対して適用する:

$${\color{red}\left(\frac{d}{du} \left(\frac{1}{u}\right)\right)} \frac{d}{dx} \left(1 + e^{- x}\right) = {\color{red}\left(- \frac{1}{u^{2}}\right)} \frac{d}{dx} \left(1 + e^{- x}\right)$$

元の変数に戻す:

$$- \frac{\frac{d}{dx} \left(1 + e^{- x}\right)}{{\color{red}\left(u\right)}^{2}} = - \frac{\frac{d}{dx} \left(1 + e^{- x}\right)}{{\color{red}\left(1 + e^{- x}\right)}^{2}}$$

和/差の導関数は、導関数の和/差である:

$$- \frac{{\color{red}\left(\frac{d}{dx} \left(1 + e^{- x}\right)\right)}}{\left(1 + e^{- x}\right)^{2}} = - \frac{{\color{red}\left(\frac{d}{dx} \left(1\right) + \frac{d}{dx} \left(e^{- x}\right)\right)}}{\left(1 + e^{- x}\right)^{2}}$$

定数の導数は$$$0$$$です:

$$- \frac{{\color{red}\left(\frac{d}{dx} \left(1\right)\right)} + \frac{d}{dx} \left(e^{- x}\right)}{\left(1 + e^{- x}\right)^{2}} = - \frac{{\color{red}\left(0\right)} + \frac{d}{dx} \left(e^{- x}\right)}{\left(1 + e^{- x}\right)^{2}}$$

関数$$$e^{- x}$$$は、2つの関数$$$f{\left(u \right)} = e^{u}$$$と$$$g{\left(x \right)} = - x$$$の合成$$$f{\left(g{\left(x \right)} \right)}$$$である。

連鎖律 $$$\frac{d}{dx} \left(f{\left(g{\left(x \right)} \right)}\right) = \frac{d}{du} \left(f{\left(u \right)}\right) \frac{d}{dx} \left(g{\left(x \right)}\right)$$$ を適用する:

$$- \frac{{\color{red}\left(\frac{d}{dx} \left(e^{- x}\right)\right)}}{\left(1 + e^{- x}\right)^{2}} = - \frac{{\color{red}\left(\frac{d}{du} \left(e^{u}\right) \frac{d}{dx} \left(- x\right)\right)}}{\left(1 + e^{- x}\right)^{2}}$$

指数関数の微分は$$$\frac{d}{du} \left(e^{u}\right) = e^{u}$$$です:

$$- \frac{{\color{red}\left(\frac{d}{du} \left(e^{u}\right)\right)} \frac{d}{dx} \left(- x\right)}{\left(1 + e^{- x}\right)^{2}} = - \frac{{\color{red}\left(e^{u}\right)} \frac{d}{dx} \left(- x\right)}{\left(1 + e^{- x}\right)^{2}}$$

元の変数に戻す:

$$- \frac{e^{{\color{red}\left(u\right)}} \frac{d}{dx} \left(- x\right)}{\left(1 + e^{- x}\right)^{2}} = - \frac{e^{{\color{red}\left(- x\right)}} \frac{d}{dx} \left(- x\right)}{\left(1 + e^{- x}\right)^{2}}$$

定数倍の法則 $$$\frac{d}{dx} \left(c f{\left(x \right)}\right) = c \frac{d}{dx} \left(f{\left(x \right)}\right)$$$ を $$$c = -1$$$ と $$$f{\left(x \right)} = x$$$ に対して適用します:

$$- \frac{e^{- x} {\color{red}\left(\frac{d}{dx} \left(- x\right)\right)}}{\left(1 + e^{- x}\right)^{2}} = - \frac{e^{- x} {\color{red}\left(- \frac{d}{dx} \left(x\right)\right)}}{\left(1 + e^{- x}\right)^{2}}$$

$$$n = 1$$$ を用いて冪法則 $$$\frac{d}{dx} \left(x^{n}\right) = n x^{n - 1}$$$ を適用すると、すなわち $$$\frac{d}{dx} \left(x\right) = 1$$$:

$$\frac{e^{- x} {\color{red}\left(\frac{d}{dx} \left(x\right)\right)}}{\left(1 + e^{- x}\right)^{2}} = \frac{e^{- x} {\color{red}\left(1\right)}}{\left(1 + e^{- x}\right)^{2}}$$

簡単化せよ:

$$\frac{e^{- x}}{\left(1 + e^{- x}\right)^{2}} = \frac{1}{4 \cosh^{2}{\left(\frac{x}{2} \right)}}$$

したがって、$$$\frac{d}{dx} \left(\frac{1}{1 + e^{- x}}\right) = \frac{1}{4 \cosh^{2}{\left(\frac{x}{2} \right)}}$$$。

次に、$$$\frac{d^{2}}{dx^{2}} \left(\frac{1}{1 + e^{- x}}\right) = \frac{d}{dx} \left(\frac{1}{4 \cosh^{2}{\left(\frac{x}{2} \right)}}\right)$$$

定数倍の法則 $$$\frac{d}{dx} \left(c f{\left(x \right)}\right) = c \frac{d}{dx} \left(f{\left(x \right)}\right)$$$ を $$$c = \frac{1}{4}$$$ と $$$f{\left(x \right)} = \frac{1}{\cosh^{2}{\left(\frac{x}{2} \right)}}$$$ に対して適用します:

$${\color{red}\left(\frac{d}{dx} \left(\frac{1}{4 \cosh^{2}{\left(\frac{x}{2} \right)}}\right)\right)} = {\color{red}\left(\frac{\frac{d}{dx} \left(\frac{1}{\cosh^{2}{\left(\frac{x}{2} \right)}}\right)}{4}\right)}$$

関数$$$\frac{1}{\cosh^{2}{\left(\frac{x}{2} \right)}}$$$は、2つの関数$$$f{\left(u \right)} = \frac{1}{u^{2}}$$$と$$$g{\left(x \right)} = \cosh{\left(\frac{x}{2} \right)}$$$の合成$$$f{\left(g{\left(x \right)} \right)}$$$である。

連鎖律 $$$\frac{d}{dx} \left(f{\left(g{\left(x \right)} \right)}\right) = \frac{d}{du} \left(f{\left(u \right)}\right) \frac{d}{dx} \left(g{\left(x \right)}\right)$$$ を適用する:

$$\frac{{\color{red}\left(\frac{d}{dx} \left(\frac{1}{\cosh^{2}{\left(\frac{x}{2} \right)}}\right)\right)}}{4} = \frac{{\color{red}\left(\frac{d}{du} \left(\frac{1}{u^{2}}\right) \frac{d}{dx} \left(\cosh{\left(\frac{x}{2} \right)}\right)\right)}}{4}$$

冪法則 $$$\frac{d}{du} \left(u^{n}\right) = n u^{n - 1}$$$ を $$$n = -2$$$ に対して適用する:

$$\frac{{\color{red}\left(\frac{d}{du} \left(\frac{1}{u^{2}}\right)\right)} \frac{d}{dx} \left(\cosh{\left(\frac{x}{2} \right)}\right)}{4} = \frac{{\color{red}\left(- \frac{2}{u^{3}}\right)} \frac{d}{dx} \left(\cosh{\left(\frac{x}{2} \right)}\right)}{4}$$

元の変数に戻す:

$$- \frac{\frac{d}{dx} \left(\cosh{\left(\frac{x}{2} \right)}\right)}{2 {\color{red}\left(u\right)}^{3}} = - \frac{\frac{d}{dx} \left(\cosh{\left(\frac{x}{2} \right)}\right)}{2 {\color{red}\left(\cosh{\left(\frac{x}{2} \right)}\right)}^{3}}$$

関数$$$\cosh{\left(\frac{x}{2} \right)}$$$は、2つの関数$$$f{\left(u \right)} = \cosh{\left(u \right)}$$$と$$$g{\left(x \right)} = \frac{x}{2}$$$の合成$$$f{\left(g{\left(x \right)} \right)}$$$である。

連鎖律 $$$\frac{d}{dx} \left(f{\left(g{\left(x \right)} \right)}\right) = \frac{d}{du} \left(f{\left(u \right)}\right) \frac{d}{dx} \left(g{\left(x \right)}\right)$$$ を適用する:

$$- \frac{{\color{red}\left(\frac{d}{dx} \left(\cosh{\left(\frac{x}{2} \right)}\right)\right)}}{2 \cosh^{3}{\left(\frac{x}{2} \right)}} = - \frac{{\color{red}\left(\frac{d}{du} \left(\cosh{\left(u \right)}\right) \frac{d}{dx} \left(\frac{x}{2}\right)\right)}}{2 \cosh^{3}{\left(\frac{x}{2} \right)}}$$

双曲線余弦の導関数は$$$\frac{d}{du} \left(\cosh{\left(u \right)}\right) = \sinh{\left(u \right)}$$$です:

$$- \frac{{\color{red}\left(\frac{d}{du} \left(\cosh{\left(u \right)}\right)\right)} \frac{d}{dx} \left(\frac{x}{2}\right)}{2 \cosh^{3}{\left(\frac{x}{2} \right)}} = - \frac{{\color{red}\left(\sinh{\left(u \right)}\right)} \frac{d}{dx} \left(\frac{x}{2}\right)}{2 \cosh^{3}{\left(\frac{x}{2} \right)}}$$

元の変数に戻す:

$$- \frac{\sinh{\left({\color{red}\left(u\right)} \right)} \frac{d}{dx} \left(\frac{x}{2}\right)}{2 \cosh^{3}{\left(\frac{x}{2} \right)}} = - \frac{\sinh{\left({\color{red}\left(\frac{x}{2}\right)} \right)} \frac{d}{dx} \left(\frac{x}{2}\right)}{2 \cosh^{3}{\left(\frac{x}{2} \right)}}$$

定数倍の法則 $$$\frac{d}{dx} \left(c f{\left(x \right)}\right) = c \frac{d}{dx} \left(f{\left(x \right)}\right)$$$ を $$$c = \frac{1}{2}$$$ と $$$f{\left(x \right)} = x$$$ に対して適用します:

$$- \frac{\sinh{\left(\frac{x}{2} \right)} {\color{red}\left(\frac{d}{dx} \left(\frac{x}{2}\right)\right)}}{2 \cosh^{3}{\left(\frac{x}{2} \right)}} = - \frac{\sinh{\left(\frac{x}{2} \right)} {\color{red}\left(\frac{\frac{d}{dx} \left(x\right)}{2}\right)}}{2 \cosh^{3}{\left(\frac{x}{2} \right)}}$$

$$$n = 1$$$ を用いて冪法則 $$$\frac{d}{dx} \left(x^{n}\right) = n x^{n - 1}$$$ を適用すると、すなわち $$$\frac{d}{dx} \left(x\right) = 1$$$:

$$- \frac{\sinh{\left(\frac{x}{2} \right)} {\color{red}\left(\frac{d}{dx} \left(x\right)\right)}}{4 \cosh^{3}{\left(\frac{x}{2} \right)}} = - \frac{\sinh{\left(\frac{x}{2} \right)} {\color{red}\left(1\right)}}{4 \cosh^{3}{\left(\frac{x}{2} \right)}}$$

したがって、$$$\frac{d}{dx} \left(\frac{1}{4 \cosh^{2}{\left(\frac{x}{2} \right)}}\right) = - \frac{\sinh{\left(\frac{x}{2} \right)}}{4 \cosh^{3}{\left(\frac{x}{2} \right)}}$$$。

したがって、$$$\frac{d^{2}}{dx^{2}} \left(\frac{1}{1 + e^{- x}}\right) = - \frac{\sinh{\left(\frac{x}{2} \right)}}{4 \cosh^{3}{\left(\frac{x}{2} \right)}}$$$。