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高阶导数

本节分享的题目是一道高阶导数问题,本题不是常规的 \(\mathrm{N-L}\) 公式可以直接解决的,需要结合幂级数展开和 \(\mathrm{Taylor}\) 公式综合运用,下面一起来看看吧!

例题

Example

\[\displaystyle f(x)=x^2\int_{1}^{x}\dfrac{\mathrm{d}t}{t^3-3t^2+3t}\]

求:\(f^{(2019)}(1)\)

首先注意到分母是可以通过常数配凑(\(-1+1\))化简的,即:

\[ \begin{aligned}t^3-3t^2+3t&=t^3-3t^2+3t-1+1\\&=(t-1)^3+1\end{aligned} \]

令 \(g(x)=f(x+1)\),则:

\[ g(x)=f(x+1)=(x+1)^2\int_{1}^{x+1}\frac{\mathrm{d}t}{(t-1)^3+1} \]

作积分换元 \(u=t-1\),

\[ t:1\to x+1 \implies u:0\to x \]
\[ g(x)=(x+1)^2\int_{0}^{x}\frac{\mathrm{d}u}{u^3+1} \]

故所求:

\[ f^{(2019)}(1)=g^{(2019)}(0) \]

现在如何处理呢?我们发现被积函数是容易进行幂级数展开的,于是考虑

幂级数展开(\(|u|<1\)):

\[ \frac1{1+u^3}=\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^n (u^3)^n=\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^n u^{3n} \]

交换求和与积分的顺序,得:

\[ \int_{0}^{x}\frac{\mathrm{d}u}{1+u^3} =\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^n\int_{0}^{x}u^{3n}\mathrm{d}u =\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n}{3n+1}x^{3n+1} \]

代入化简得:

\[ \begin{aligned} g(x)&=(x^2+2x+1)\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n}{3n+1}x^{3n+1}\\ &=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n}{3n+1}x^{3n+1}+2\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n}{3n+1}x^{3n+2}+\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n}{3n+1}x^{3n+3} \end{aligned} \]

都写到这里了,如果还想不到 \(\mathrm{Taylor}\) 公式有点说不过去了吧,由泰勒系数与高阶导数关系:

\[ g(x)=\displaystyle\sum_{k=0}^{\infty}\frac{g^{(k)}(0)}{k!}x^k \]

对比 \(x^{2019}\) 项系数:

  • \(3n+1=2019\):\(n\) 非整数,无贡献
  • \(3n+2=2019\):\(n\) 非整数,无贡献
  • \(3n+3=2019\implies 3n=2016\implies n=672\)

于是 \(x^{2019}\) 项仅来自第三项级数:

\[ \frac{g^{(2019)}(0)}{2019!}=\frac{(-1)^{672}}{3\cdot 672+1}=\frac1{2017} \]

综上,结果为:

\[ g^{(2019)}(0)=f^{(2019)}(1)=\frac{2019!}{2017} \]

习题

Q1

Question

设 \(f(x)=x^{2}\ln(1+x)\),求 \(f^{(n)}(0)\),其中 \(n\geqslant 3\).

Q2

Question

设 \(f(x)=\arctan \dfrac{1-x}{1+x}\),求 \(f^{(n)}(0)\).

Q3

Question

设 \(f(x)=\arctan \dfrac{1+x^{2}}{1-x^{2}}\),求 \(f^{(n)}(0)\).

Q4

Question

设 \(f(x)=\dfrac{1}{1+2x+4x^{2}}\),求 \(f^{(2016)}(0)\) 和 \(f^{(2017)}(0)\).

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