質問<3312>
「「Maclaurin展開」」
日付
質問者 バニラ
\(\frac{2006}{7}\)/17


かなり急いでます(テスト近いので)。宜しくお願いします。
『f(χ)=ArctanχのMaclaurin展開を次の順序で求めよ。』って問題
の(2)で『y^(n+2)とy^(n+1)とy^(n)(←順にn+2、n+1、n階導関数
を表しています)の関係式を導け』ってのがありまして、答えは
『(1+χ^2)*y^(n+2)+2(n+1)χ*y^(n+1)+n(n+1)y^(n)=0』だってのは分か
ってるんですけど、導き方が分かりません!あと、この式が示せて
yのn階導関数にχ=0を代入して値が求まったところから展開式への
もっていき方がわかりません!

★完全解答希望★

お便り
日付 2006/11/10
回答者 主夫


既にテストは終わったとは思いますが、一応答えの形らしきものにはなりました。
ただしご要求に沿った解法ではありませんので、これに満足されなければもう一度再質問をし、
他の回答者にお尋ねになられればと思います。

まず、問題の(1)が書かれていません。実はこれが非常に引っかかります。
どんな問題だったのでしょうか?

(2)「y^(n+2)とy^(n+1)とy^(n)の関係式を導け」
ひょっとしたら(1)の問題は(2)の誘導問題なのではないですか?
回答がつきにくいのはこのあたりに原因があるのかもしれません。
答えを知っていないとかなり無理のある回答ではありますが、以下。
y^(1)=1/(1+\(x^{2}\)) はいいですね?
両辺をさらに微分すると、
y^(2)
=-2x/{(1+\(x^{2}\)\()^{2}\)}
={-2x/(1+\(x^{2}\))}*{1/(1+\(x^{2}\))}
={-2x/(1+\(x^{2}\))}*y^(1) この両辺を(1+\(x^{2}\))倍すると、
(1+\(x^{2}\))*y^(2)=-2x*y^(1)
(1+\(x^{2}\))*y^(2)+2x*y^(1)=0  …①
これをn回微分すると、例の答えになるわけです。
(1+\(x^{2}\))*y^(n+2)+2(n+1)x*y^(n+1)+n(n+1)y^(n)=0
ここのところがわからなければ、①を1回ずつ微分していけば予想が立つので、
あとは数学的帰納法を使ってもいいでしょう。(この証明は省略します)
試しに少しだけやってみると、まず1回微分は、
(1+\(x^{2}\))*y^(3)+2x*y^(2)+2*y^(1)+2x+y^(2)=0 整理して
1回微分: (1+\(x^{2}\))*y^(3)+4x*y^(2)+2*y^(1)=0
2回以降は結論のみ。
2回微分: (1+\(x^{2}\))*y^(4)+6x*y^(3)+6*y^(2)=0
3回微分: (1+\(x^{2}\))*y^(5)+8x*y^(3)+12*y^(2)=0
とこうしていくと、自ずと予想が立てられます。

この後のマクローリン展開へのもっていき方が、私にもよく分かりません。
ここまできて大変申し訳ないのですが、別の方法を用いて解いてみます。
lxl<1において、無限等比級数の公式
1/(1+x)=1-x+\(x^{2}\)-\(x^{3}\)…+{(-1\()^{n}\)}*x^(n)+…
が成り立ちます。
lxl<1のとき、l\(x^{2}\)l<1なので、この式のxの代わりに\(x^{2}\)を代入すると、
1/(1+x\()^{2}\)=1-\(x^{2}\)+\(x^{4}\)-\(x^{6}\)+…+{(-1\()^{n}\)}*x^(2n)+…
両辺を0からxまで積分して、
∫[0\(\vec{x}\)]{1/(1+x\()^{2}\)}dx=∫[0\(\vec{x}\)]{1-\(x^{2}\)+\(x^{4}\)-\(x^{6}\)+…+{(-1\()^{n}\)}*x^(2n)+…}dx
左辺はarctanxです。右辺は項別に積分していって、
arctanx=x-(\(\frac{1}{3}\))\(x^{3}\)+(\(\frac{1}{5}\))\(x^{5}\)+…+{(-1\()^{n}\)}*{1/(2n+1)}*x^(2n+1)+…
となります。