Методы решения физико-математических задач

Вывод производных высших порядков арксинуса (arcsin x) и арккосинуса (arccos x)

Производные высших порядков арксинуса и арккосинуса
Представлен вывод производных высших порядков арксинуса (arcsin x). Формулы производных арксинуса второго, третьего, четвертого и пятого порядка. Производная n-го порядка выражается через многочлен и корень. Даны уравнения для многочленов и вывод значений их коэффициентов. Выражение производной n-го порядка арккосинуса через производную арксинуса.
()( \newcommand{\tg}{\mathop{\mathrm{tg}}\nolimits} )() ()( \newcommand{\ctg}{\mathop{\mathrm{ctg}}\nolimits} )() ()( \newcommand{\arctg}{\mathop{\mathrm{arctg}}\nolimits} )() ()( \newcommand{\arcctg}{\mathop{\mathrm{arcctg}}\nolimits} )() ()( \newcommand{\Im}{\mathop{\mathrm{Im}}\nolimits} )()

Основные результаты

Рассмотрим функцию арксинус от переменной x:
(1)   y = arcsin x.
Нам известна производная первого порядка этой функции (см. Вывод производных арксинуса и арккосинуса):
(2)   y ′ = 1√ 1 – x 2 .

Непосредственным дифференцированием, или используя приведенные ниже формулы, можно найти производные арксинуса от второго до пятого порядков:
y ′′ = x(1 – x 2) 3 / 2;   y ′′′ = 1 + 2x 2(1 – x 2) 5 / 2;   y IV = 9x + 6x 3(1 – x 2) 7 / 2;   y V = 9 + 72x 2 + 24x 4(1 – x 2) 9 / 2.

В общем случае, производная арксинуса произвольного, n-го порядка, выражается через многочлен и корень:
(3)   y (n) = pn (x)( 1 – x 2 ) n – 12,
где pn (x) – многочлен степени n – 1. Он определяется по формулам:
(4)   p2m + 1 (x) = A [1 + mΣk = 1 (m!) 2(2k)!( (m – k)! ) 2 (2x) 2k];
(5)   p2m (x) = Ax [1 + m – 1Σk = 1 ((m – 1)!) 2(2k + 1)!( (m – k – 1)! ) 2 (2x) 2k].
Здесь A = [1 ⋅ 3 ⋅ 5⋅ ⋅ ⋅(2m – 1)] 2 ≡ [(2m – 1)!!] 2.

Отсюда можно определить производную арксинуса в нуле, то есть при x = 0. Для нечетных n = 2m + 1,
(arcsin x ) (2m + 1) (0) = [1 ⋅ 3 ⋅ 5⋅ ⋅ ⋅(2m – 1)] 2 ≡ [(2m – 1)!!] 2.
Для четных n = 2m, производная равна нулю:
(arcsin x ) (2m) (0) = 0.

Производная n-го порядка арксинуса удовлетворяет дифференциальному уравнению:
(6)   (1 – x 2) y (n + 2) – (2n + 1) xy (n + 1) – n 2  y (n) = 0.
Это уравнение связывает производные трех порядков. При n = 0 получаем уравнение, связывающее производные первого и второго порядков:
(7)   (1 – x 2)y ′′ – xy ′ = 0.

Многочлены pn (x) связаны следующими соотношениями:
(8)   pn + 1 = (1 – x 2) p ′n + (2n – 1) xpn;
(9)   pn + 2 – (2n + 1) xpn + 1 – n 2 (1 – x 2) pn = 0;
(10)   (1 – x 2) p ′′n + (2n – 3) xp ′n – (n – 1) 2  pn = 0.

Производные высших порядков арккосинуса (arccos x)

Зная значения производных арксинуса, легко получить значения производных арккосинуса. Для этого нужно воспользоваться связью между этими функциями:
arccos x = π2 – arcsin x.
Тогда производная n-го порядка арккосинуса равна производной n-го порядка арксинуса, взятой с обратным знаком:
(arccos x ) (n) = –(arcsin x ) (n).

Вывод формул

Ниже мы выведем формулы (4–5), которые определяют значения коэффициентов многочленов pn (x). Однако, чтобы сделать это, нам нужно сначала вывести формулы (6–10), устанавливающие связь между производными арксинуса и соотношения между многочленами.

Дифференциальное уравнение, которому удовлетворяют производные арксинуса высших порядков

Пусть
(1)   y = arcsin x.
Производную первого порядка от арксинуса мы уже нашли:
(2)   y ′ = 1√ 1 – x 2 .
Дифференцируя, находим производную второго порядка:
y ′′ = ( ( 1 – x 2 ) –1 / 2 ) ′ = – 12 ( 1 – x 2 ) –3 / 2 ⋅ ( 1 – x 2 ) ′ = – 12 ⋅ 1(1 – x 2) 3 / 2 ⋅ (–2x);
y ′′ = x(1 – x 2) 3 / 2 = x(1 – x 2) √ 1 – x 2 .
Учитывая (2), запишем производную второго порядка в следующем виде:
y ′′ = x1 – x 2 y ′.
Отсюда получаем дифференциальное уравнение, которому удовлетворяют производные арксинуса первого и второго порядков:
(7)   (1 – x 2)y ′′ – xy ′ = 0.

Дифференцируем это уравнение n раз, применяя формулу Лейбница. В результате получаем формулу (6), связывающую производные трех высших порядков:
(1 – x 2) y (n + 2) + n( 1 – x 2 ) ′ y (n + 1) + n(n – 1)2 ( 1 – x 2 ) ′′ y (n) –
 xy (n + 1) – n (x) ′ y (n) = 0;
(1 – x 2) y (n + 2) + n (–2x) y (n + 1) + n(n – 1)2 (–2) y (n) – xy (n + 1) – ny (n) = 0;
(1 – x 2)y (n + 2) – 2nxy (n + 1) – (n 2 – n) y (n) – xy (n + 1) – ny (n) = 0;
(6)   (1 – x 2) y (n + 2) – (2n + 1) xy (n + 1) – n 2  y (n) = 0.

Выражение производной n-го порядка через многочлен и корень

Легко убедиться, что производная арксинуса n-го порядка имеет следующий вид:
(3)   y (n) = pn (x)( 1 – x 2 ) n – 12,
где pn (x) – многочлен степени n – 1.

Связь между многочленами различных степеней

Выведем формулу (9), устанавливающую связь между многочленами различных степеней. Для этого подставим (3) в (6):
(1 – x 2) pn + 2( 1 – x 2 ) n + 2 – 12 – (2n + 1) x pn + 1( 1 – x 2 ) n + 1 – 12 – n 2 pn( 1 – x 2 ) n – 12 = 0.
Умножив на ( 1 – x 2 ) n + 12, получим (9):
(9)   pn + 2 – (2n + 1) xpn + 1 – n 2 (1 – x 2) pn = 0.

Теперь выведем формулу (8), связывающую многочлены двух соседних степеней. Запишем (3):
(3)   y (n) = pn (x)( 1 – x 2 ) n – 12 = pn ⋅ ( 1 – x 2 ) –n + 12.
Дифференцируем по x:
( ( 1 – x 2 ) –n + 12 ) ′ = ( –n + 12 )( 1 – x 2 ) –n – 12 ( 1 – x 2 ) ′ =
 –2n + 12 ( 1 – x 2 ) –n – 12 ( –2x ) = (2n – 1) x( 1 – x 2 ) –n – 12; y (n + 1) = p ′n ⋅ ( 1 – x 2 ) –n + 12 + pn ⋅ ( ( 1 – x 2 ) –n + 12 ) ′ =
 p ′n ⋅ ( 1 – x 2 ) –n + 12 + (2n – 1) xpn ⋅ ( 1 – x 2 ) –n – 12 = (1 – x 2) p ′n + (2n – 1) xpn( 1 – x 2 ) n + 12.
Поскольку   y (n + 1) = pn + 1 (x)( 1 – x 2 ) n + 1 – 12,   то
(8)   pn + 1 = (1 – x 2) p ′n + (2n – 1) xpn.

Дифференциальное уравнение для многочленов

Теперь покажем, что многочлен pn (x) удовлетворяет дифференциальному уравнению (10). Для этого мы используем формулы (8) и (9) и получим уравнение, содержащее только многочлен и его производные одной степени.

Дифференцируем (8) по x:
p ′n + 1 = (1 – x 2) p ′′n + ( 1 – x 2 ) ′ p ′n + (2n – 1) xp ′n + (2n – 1) (x) ′ pn =
 (1 – x 2) p ′′n – 2xp ′n + (2n – 1) xp ′n + (2n – 1) pn =
 (1 – x 2) p ′′n + (2n – 3) xp ′n + (2n – 1) pn;
(11)   p ′n + 1 = (1 – x 2) p ′′n + (2n – 3) xp ′n + (2n – 1) pn.
Заменим в (8) n на n + 1:
pn + 2 = (1 – x 2) p ′n + 1 + (2n + 1) xpn + 1.
Подставим сюда (11) и (8):
pn + 2 = (1 – x 2) p ′n + 1 + (2n + 1) xpn + 1 =
 (1 – x 2)[(1 – x 2) p ′′n + (2n – 3) xp ′n + (2n – 1) pn ] +
 (2n + 1) x ((1 – x 2) p ′n + (2n – 1) xpn ) =
 (1 – x 2) 2  p ′′n + [ 2n – 3 + 2n + 1 ] x(1 – x 2)p ′n + (2n – 1) [ (1 – x 2) + (2n + 1)x 2 ]pn =
 (1 – x 2) 2  p ′′n + (4n – 2) x(1 – x 2) p ′n + (2n – 1)(1 + 2nx 2) pn.
Итак,
(12)   pn + 2 = (1 – x 2) 2  p ′′n + (4n – 2) x(1 – x 2) p ′n + (2n – 1)(1 + 2nx 2) pn.
Подставим (12) и (8) в (9):
(9)   pn + 2 – (2n + 1) xpn + 1 – n 2 (1 – x 2) pn = 0;
(1 – x 2) 2  p ′′n + (4n – 2) x(1 – x 2) p ′n + (2n – 1)(1 + 2nx 2) pn –
 (2n + 1) x ((1 – x 2) p ′n + (2n – 1) xpn ) – n 2 (1 – x 2) pn = 0;
(1 – x 2) 2  p ′′n + (2n – 3) x(1 – x 2) p ′n + (2n – 1)(1 + 2nx 2)pn –
 (2n + 1)(2n – 1) x 2  pn – n 2 (1 – x 2) pn = 0.
Преобразуем коэффициент при pn:
(2n – 1)(1 + 2nx 2) – (2n + 1)(2n – 1) x 2 – n 2 (1 – x 2) =
 (2n – 1)( 1 + 2nx 2 – (2n + 1) x 2 ) – n 2 (1 – x 2) = (2n – 1)(1 – x 2) – n 2 (1 – x 2) =
  – (n 2 – 2n + 1)(1 – x 2) =  – (n – 1) 2 (1 – x 2).
Подставляем в предыдущее уравнение и сокращаем на (1 – x 2):
(10)   (1 – x 2) p ′′n + (2n – 3) xp ′n – (n – 1) 2  pn = 0.

Значения производных арксинуса высших порядков в нуле

Здесь мы покажем, что для нечетных n = 2m + 1, производная арксинуса в нуле, то есть при x = 0, имеет значение
(arcsin x) (2m + 1) (0) = (1 ⋅ 3 ⋅ 5 ⋅ ...  ⋅ (2m – 1)) 2 = ((2m – 1)!!) 2.
Для четных n = 2m, она равна нулю:
(arcsin x) (2m) (0) = 0.

Поскольку
(arcsin x) (n) = pn (x)( 1 – x 2 ) n – 12,
то при x = 0,
(arcsin x) (n) (0) = pn (0)( 1 – 0 2 ) n – 12 = pn (0).
То есть n-я производная арккосинуса в нуле равна значению многочлена pn (x) в нуле. Таким образом, нам нужно найти значение многочлена при x = 0.

Выпишем уравнение (9) явно указывая, что pn есть функция от x:
(9)   pn + 2 (x) – (2n + 1) xpn + 1 (x) – n 2 (1 – x 2) pn (x) = 0.
Подставим x = 0:
pn + 2 (0) – n 2  pn (0) = 0, или
(13)   pn + 2 (0) = n 2  pn (0).
Из этого уравнения легко получить значения многочленов pn (x) в нуле.

Рассмотрим нечетные n. Для них n можно записать в виде:
n = 2m + 1,
где m = 0,  1,  2, ... – целое неотрицательное число. Воспользуемся формулой (3):
(3)   y (n) = pn (x)( 1 – x 2 ) n – 12.
Производная первого порядка нам известна:
(2)   y ′ = 1√ 1 – x 2 .
Отсюда p1 (x) = 1. Это постоянная. Она имеет равные значения для всех x. Соответственно, при x = 0,
(14)   p1 (0) = 1.

Подставим в (13) n = 1 и используем (14):
p3 (0) = 1 2 ⋅ p1 (0) = 1.
Аналогично, подставляем n = 3,  n = 5 и n = 7:
p5 (0) = 3 2 ⋅ p3 (0) = 3 2;
p7 (0) = 5 2 ⋅ p5 (0) = 5 2 ⋅ 3 2;
p9 (0) = 7 2 ⋅ p7 (0) = 7 2 ⋅ 5 2 ⋅ 3 2.
Теперь легко записать значение многочлена произвольной нечетной степени в нуле:
(15)   p2m + 1 (0) = (1 ⋅ 3 ⋅ 5 ⋅ ...  ⋅ (2m – 1)) 2 = ((2m – 1)!!) 2;   p1 (0) = 1.

Рассмотрим четные n. Выше мы нашли производную второго порядка:
y ′′ = x1 – x 2 y ′.
Отсюда p2 (x) = x. Тогда p2 (0) = 0. Используя формулу (13) получаем, что все четные производные в нуле равны нулю:
(16)   p2m (0) = 0.

Вывод значений коэффициентов многочленов

Теперь мы можем найти значения коэффициентов многочленов. Запишем разложение многочлена по степеням x в общем виде:
(17)   pn (x) = n – 1Σr = 0 ar x r.
Здесь ar – коэффициенты, которые нам нужно найти.

Дифференцируя (17), находим первую и вторую производные:
(18)   p ′n(x) = n – 1Σr = 0 rar x r – 1.
p ′′n(x) = n – 1Σr = 0 r(r – 1) ar x r – 2.
Подставляем их в (10) и выполняем преобразования:
(10)   (1 – x 2) p ′′n + (2n – 3) xp ′n – (n – 1) 2  pn = 0;
(1 – x 2)  n – 1Σr = 0 r(r – 1)ar x r – 2 + (2n – 3) x n – 1Σr = 0 rar x r – 1 – (n – 1) 2  n – 1Σr = 0 ar x r = 0;
n – 1Σr = 2 r(r – 1)ar x r – 2 – n – 1Σr = 0 r(r – 1)ar x r + (2n – 3)  n – 1Σr = 0 rar x r – (n – 1) 2  n – 1Σr = 0 ar x r = 0.
Преобразуем три последних члена:
–r(r – 1) + (2n – 3)r – (n – 1) 2 = –r 2 + r + 2(n – 1)r – r – (n – 1) 2 =
 –r 2 + 2(n – 1)r – (n – 1) 2 =  – (n – r – 1) 2.
В первом члене заменим r → r + 2. Получаем:
n – 3Σr = 0(r + 2)(r + 1)ar + 2 x r – n – 1Σr = 0(n – r – 1) 2  ar x r = 0.
Отсюда получаем связь между коэффициентами при различных степенях x:
(19)   ar + 2 = (n – r – 1) 2(r + 1)(r + 2) ar,   0 ≤ r ≤ n – 3.
Зная значения первых коэффициентов a0 и a1, по этой формуле можно определить значения остальных.

Нечетные n

Пусть n нечетно, n = 2m + 1.
Найдем значение первого коэффициента. В (15) мы нашли значение многочлена в нуле:
pn (0) = ((n – 2)!!) 2 = ((2m – 1)!!) 2.
Но поскольку pn (0) = a0, то
a0 = ((n – 2)!!) 2 = ((2m – 1)!!) 2.
Обозначим это значение буквой A:
A = (1 ⋅ 3 ⋅ 5 ⋅ ...  ⋅ (2m – 1)) 2 = ((2m – 1)!!) 2;
a0 = A.

Найдем значение второго коэффициента. Для этого используем формулу производной многочлена:
(18)   p ′n(x) = n – 1Σr = 0 rar x r – 1.
Далее подставим сюда x = 0:
p ′n(0) = a1.
То есть значение второго коэффициента равно значению производной многочлена в нуле. Для ее нахождения, подставим в (8) значение x = 0:
pn + 1 (0) = (1 – 0 2) p ′n(0) + (2n – 1) 0 ⋅ pn (0).
Поскольку n нечетно, то n + 1 четно. Тогда из (16) следует, что pn + 1 (0) = 0. Поэтому p ′n(0) = 0. И вместе с этим
a1 = 0.

Тогда из (19) следует, что поскольку a1 = 0, то все коэффициенты нечетных степеней x равны нулю: a2m + 1 = 0. Отличны от нуля только коэффициенты четных степеней, для которых r четно.

Подставим в (19) n = 2m + 1,  r = 2k – 2:
(19)   ar + 2 = (n – r – 1) 2(r + 1)(r + 2) ar,   0 ≤ r ≤ n – 3.
n – r – 1 = 2m + 1 – 2k + 2 – 1 = 2m – 2k + 2 = 2(m – k + 1);
0 ≤ 2k – 2 ≤ 2m – 2;
2 ≤ 2k ≤ 2m;
(20)   a2k = 2 2 (m – k + 1) 2(2k – 1)(2k) a2k – 2,   1 ≤ k ≤ m.

По формуле (20) найдем значения нескольких первых коэффициентов, учитывая, что коэффициент a0 нам известен:
k = 1,  a2 = 2 2 (m) 21 ⋅ 2 a0;
k = 2,  a4 = 2 2 (m – 1) 23 ⋅ 4 a2 = 2 4 (m) 2 (m – 1) 21 ⋅ 2 ⋅ 3 ⋅ 4 a0;
k = 3,  a6 = 2 2 (m – 2) 25 ⋅ 6 a4 = 2 6 (m(m – 1)(m – 2)) 21 ⋅ 2 ⋅ 3 ⋅ 4 ⋅ 5 ⋅ 6 a0 = 2 6 (m!) 2((m – 3)!) 2 6! a0.

Отсюда не трудно установить общий вид коэффициентов:
a2k = 2 2k (m!) 2((m – k)!) 2 (2k)! a0,   1 ≤ k ≤ m.
Тогда многочлен имеет вид:
p2m + 1 (x) = a0 + mΣk = 1 a2k x 2k = A [1 + mΣk = 1 (m!) 2(2k)!( (m – k)! ) 2 (2x) 2k].

Четные n

Теперь рассмотрим четные n, n = 2m. Мы уже нашли, что для четных n, pn (0) = 0. Поэтому
a0 = 0.

Найдем значение второго коэффициента. Для этого подставим в (8) значение x = 0:
pn + 1 (0) = (1 – 0 2) p ′n(0) + (2n – 1) 0 ⋅ pn (0).
Отсюда
a1 = p ′n(0) = pn + 1 (0) = ((n – 1)!!) 2 = ((2m – 1)!!) 2 = A.

Рассмотрим (19):
(19)   ar + 2 = (n – r – 1) 2(r + 1)(r + 2) ar,   0 ≤ r ≤ n – 3.
Поскольку a0 = 0, то все коэффициенты четных степеней x равны нулю: a2m = 0. Отличны от нуля только коэффициенты нечетных степеней, для которых r нечетно. Тогда неравенства для r можно записать в виде:
1 ≤ r ≤ n – 3.

Подставим в (19) n = 2m,  r = 2k – 1:
n – r – 1 = 2m – 2k + 1 – 1 = 2(m – k);
1 ≤ 2k – 1 ≤ 2m – 3;
2 ≤ 2k ≤ 2m – 2;
(21)   a2k + 1 = 2 2 (m – k) 2(2k)(2k + 1) a2k – 1,   1 ≤ k ≤ m – 1.

По этой формуле найдем значения нескольких первых коэффициентов:
k = 1,  a3 = 2 2 (m – 1) 22 ⋅ 3 a1;
k = 2,  a5 = 2 2 (m – 2) 24 ⋅ 5 a3 = 2 4 (m – 1) 2 (m – 2) 21 ⋅ 2 ⋅ 3 ⋅ 4 ⋅ 5 a0;
k = 3,  a7 = 2 2 (m – 3) 26 ⋅ 7 a5 = 2 6 ((m – 1)(m – 2)(m – 3)) 21 ⋅ 2 ⋅ 3 ⋅ 4 ⋅ 5 ⋅ 6 ⋅ 7 a0 = 2 6 ((m – 1)!) 2((m – 4)!) 2 7! a0.

Устанавливаем общий вид коэффициентов:
a2k + 1 = 2 2k ((m – 1)!) 2((m – k – 1)!) 2 (2k + 1)! a0,   1 ≤ k ≤ m – 1.
Тогда многочлен имеет вид:
p2m (x) = a1 x + m – 1Σk = 1 a2k + 1 x 2k + 1 = x[ a1 + m – 1Σk = 1 a2k + 1 x 2k ] =
 Ax [1 + m – 1Σk = 1 ((m – 1!) 2(2k + 1)!( (m – k – 1)! ) 2 (2x) 2k].

Использованная литература:
Н.М. Гюнтер, Р.О. Кузьмин, Сборник задач по высшей математике, «Лань», 2003.

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:

▲
Меню