題目
Problem
5. Find the 5th derivative f(5)(0) of the function f(x)=ln(1+x)⋅tan−1x. (10%)
解答
解法一(推薦:泰勒級數係數對照法 — 最速解)
思路
展開
- 本題要求函數 f(x)=ln(1+x)⋅tan−1x 在 x=0 處的五階導數 f(5)(0)。
- 直接對乘積函數連續求導五次非常繁瑣且極易出錯。
- 我們可以使用麥克勞林級數 (Maclaurin Series) 的性質:
f(x)=∑k=0∞k!f(k)(0)xk
因此, x5 項的係數為 c5=5!f(5)(0)⟹f(5)(0)=120⋅c5。
- 第一步:列出子函數的麥克勞林展開式:
- ln(1+x)=x−21x2+31x3−41x4+51x5−⋯
- tan−1x=x−31x3+51x5−⋯
- 第二步:尋找乘積後 x5 的係數 c5:
我們只需挑選兩級數相乘時次方相加等於 5 的項:
- ln(1+x) 的 x2 項與 tan−1x 的 x3 項: (−21)⋅(−31)=61。
- ln(1+x) 的 x4 項與 tan−1x 的 x1 項: (−41)⋅(1)=−41。
- 其餘組合相乘次方不為 5。
- 將這些係數相加求得 c5,進而求得 f(5)(0)。
答題過程
展開
根據麥克勞林級數的定義,若 f(x) 能展開為冪級數 ∑cnxn,則其 x5 項的係數為:
c5=5!f(5)(0)⟹f(5)(0)=5!⋅c5=120c5
我們寫出兩個子函數在 x=0 附近的麥克勞林級數展開式:
ln(1+x)=tan−1x=x−21x2+31x3−41x4+51x5+O(x6)x−31x3+51x5+O(x7)
將兩個級數相乘:
f(x)=(x−21x2+31x3−41x4+51x5+⋯)(x−31x3+51x5+⋯)
我們只提取乘積後次方為 5 的項。這些項只能由以下兩項相乘產生:
- ln(1+x) 中的 −21x2 與 tan−1x 中的 −31x3 相乘:
(−21x2)(−31x3)=61x5
- ln(1+x) 中的 −41x4 與 tan−1x 中的 x 相乘:
(−41x4)(x)=−41x5
因此,乘積後 x5 的總係數 c5 為:
c5=61−41=122−3=−121
最後,計算五階導數的值:
f(5)(0)=120⋅c5=120(−121)=−10.