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112 台綜大微積分(C) 第 5 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分C

112學年度 · 112微積分C · 第 5 題

題目

Problem

5. Find the 5th derivative f(5)(0)f^{(5)}(0) of the function f(x)=ln⁡(1+x)⋅tan⁡−1xf(x) = \ln(1 + x)\cdot\tan^{-1} x. (10%)

解答

解法一(推薦:泰勒級數係數對照法 — 最速解)

思路

展開
  1. 本題要求函數 f(x)=ln⁡(1+x)⋅tan⁡−1xf(x) = \ln(1+x)\cdot\tan^{-1}x 在 x=0x=0 處的五階導數 f(5)(0)f^{(5)}(0)。
  2. 直接對乘積函數連續求導五次非常繁瑣且極易出錯。
  3. 我們可以使用麥克勞林級數 (Maclaurin Series) 的性質: f(x)=∑k=0∞f(k)(0)k!xkf(x) = \sum_{k=0}^{\infty} \frac{f^{(k)}(0)}{k!} x^k 因此, x5x^5 項的係數為 c5=f(5)(0)5!  ⟹  f(5)(0)=120⋅c5c_5 = \frac{f^{(5)}(0)}{5!} \implies f^{(5)}(0) = 120 \cdot c_5。
  4. 第一步:列出子函數的麥克勞林展開式:
    • ln⁡(1+x)=x−12x2+13x3−14x4+15x5−⋯\ln(1+x) = x - \frac{1}{2}x^2 + \frac{1}{3}x^3 - \frac{1}{4}x^4 + \frac{1}{5}x^5 - \cdots
    • tan⁡−1x=x−13x3+15x5−⋯\tan^{-1}x = x - \frac{1}{3}x^3 + \frac{1}{5}x^5 - \cdots
  5. 第二步:尋找乘積後 x5x^5 的係數 c5c_5: 我們只需挑選兩級數相乘時次方相加等於 5 的項:
    • ln⁡(1+x)\ln(1+x) 的 x2x^2 項與 tan⁡−1x\tan^{-1}x 的 x3x^3 項: (−12)⋅(−13)=16\left(-\frac{1}{2}\right) \cdot \left(-\frac{1}{3}\right) = \frac{1}{6}。
    • ln⁡(1+x)\ln(1+x) 的 x4x^4 項與 tan⁡−1x\tan^{-1}x 的 x1x^1 項: (−14)⋅(1)=−14\left(-\frac{1}{4}\right) \cdot (1) = -\frac{1}{4}。
    • 其餘組合相乘次方不為 5。
  6. 將這些係數相加求得 c5c_5,進而求得 f(5)(0)f^{(5)}(0)。

答題過程

展開

根據麥克勞林級數的定義,若 f(x)f(x) 能展開為冪級數 ∑cnxn\sum c_n x^n,則其 x5x^5 項的係數為:

c5=f(5)(0)5!  ⟹  f(5)(0)=5!⋅c5=120c5c_5 = \frac{f^{(5)}(0)}{5!} \implies f^{(5)}(0) = 5! \cdot c_5 = 120 c_5

我們寫出兩個子函數在 x=0x=0 附近的麥克勞林級數展開式:

ln⁡(1+x)= x−12x2+13x3−14x4+15x5+O(x6)tan⁡−1x= x−13x3+15x5+O(x7)\begin{align*} \ln(1 + x) =&\, x - \frac{1}{2}x^2 + \frac{1}{3}x^3 - \frac{1}{4}x^4 + \frac{1}{5}x^5 + O(x^6) \\[2mm] \tan^{-1} x =&\, x - \frac{1}{3}x^3 + \frac{1}{5}x^5 + O(x^7) \end{align*}

將兩個級數相乘:

f(x)=(x−12x2+13x3−14x4+15x5+⋯ )(x−13x3+15x5+⋯ )f(x) = \left( x - \frac{1}{2}x^2 + \frac{1}{3}x^3 - \frac{1}{4}x^4 + \frac{1}{5}x^5 + \cdots \right) \left( x - \frac{1}{3}x^3 + \frac{1}{5}x^5 + \cdots \right)

我們只提取乘積後次方為 55 的項。這些項只能由以下兩項相乘產生:

  1. ln⁡(1+x)\ln(1+x) 中的 −12x2-\frac{1}{2}x^2 與 tan⁡−1x\tan^{-1}x 中的 −13x3-\frac{1}{3}x^3 相乘: (−12x2)(−13x3)=16x5\left( - \frac{1}{2}x^2 \right) \left( - \frac{1}{3}x^3 \right) = \frac{1}{6}x^5
  2. ln⁡(1+x)\ln(1+x) 中的 −14x4-\frac{1}{4}x^4 與 tan⁡−1x\tan^{-1}x 中的 xx 相乘: (−14x4)(x)=−14x5\left( - \frac{1}{4}x^4 \right) (x) = - \frac{1}{4}x^5

因此,乘積後 x5x^5 的總係數 c5c_5 為:

c5=16−14=2−312=−112c_5 = \frac{1}{6} - \frac{1}{4} = \frac{2 - 3}{12} = -\frac{1}{12}

最後,計算五階導數的值:

f(5)(0)=120⋅c5=120(−112)=−10 .f^{(5)}(0) = 120 \cdot c_5 = 120 \left( -\frac{1}{12} \right) = -10 \,.