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Maclaurin級数

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お礼率 71% (5/7)

arcsin(x)
arctan(x)
のMaclaurin級数を求めたいと思い、
てはじめに
(1+x^2)^α
のマクローリン展開を求めようと思いました。
でも式がまとまらず、息詰まってしまいました。
方針として間違っているのでしょうか?

別のアタックの仕方なども含めて教えて下さい。
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質問者が選んだベストアンサー

  • 回答No.2
レベル13

ベストアンサー率 64% (700/1089)

arcsin(x)
arctan(x)
の1階微分がそれぞれ (1+x^2)^(-1) と (1+x^2)^(-1/2) になるから
これらの マクローリン展開を求めて項別積分という発想ですね.

arctan(x) の方は brogie さんの方法で解決.

arcsin(x) の方は,二項定理
(1)  (1+y)^k = Σ_{n=0}^∞ {k(k-1)(k-2)・・・(k-n+1) / n!} y^n
を使えばできます.
今は,k=-1/2,y=x^2 になっていますから,簡単な変形で
(2)  (1+x^2)^(-1/2) = Σ_{n=0}^∞ {(-1)^n (2n-1)!! / 2^n n!} x^(2n)
になり,項別積分で
(3)  arcsin(x) = Σ_{n=0}^∞ {(-1)^n (2n-1)!! / 2^n n! (2n+1)} x^(2n+1)
が得られます.
(2n-1)!! = (2n-1)(2n-3)...3・1 です.

(1+x^2)^(-1/2) を何度も微分するとなると,一般項は Bell 多項式で表現できますが
ちょっと面倒そうです.
お礼コメント
hyuuga

お礼率 71% (5/7)

また質問です。
(1+y)^k = Σ_{n=0}^∞ {k(k-1)(k-2)・・・(k-n+1) / n!} y^n
のyにx^2を代入して、等式は成り立つのでしょうか?
次数の違うものを代入するのはどうもしっくりこないのですが
投稿日時 - 2001-08-22 04:23:39
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その他の回答 (全3件)

  • 回答No.1
レベル11

ベストアンサー率 33% (131/392)

arctan(x)はつぎのような方法があります。 d(arctan(x))/dx=1/(1+x^2)=1-x^2+x^4-x^6+.... この両辺を積分して arctan(x)=x-x^3+x^5-x^7/7+... (-1<x<1) arcsin(x)は微分して、テクテク解いていく以外にはないでしょう。 arcsin(x)=x+(1/2)(x^3/3)+(1*3/2*4)( ...続きを読む
arctan(x)はつぎのような方法があります。
d(arctan(x))/dx=1/(1+x^2)=1-x^2+x^4-x^6+....
この両辺を積分して
arctan(x)=x-x^3+x^5-x^7/7+...
(-1<x<1)

arcsin(x)は微分して、テクテク解いていく以外にはないでしょう。
arcsin(x)=x+(1/2)(x^3/3)+(1*3/2*4)(x^5/5)+(1*3*5/2*4*6*7)(x^7/7)+...
(-1<=x<=1)

では、頑張って解いて見て下さい。
お礼コメント
hyuuga

お礼率 71% (5/7)

すみません
1/(1+x^2)=1-x^2+x^4-x^6+....
からつかえてしまいました。
右辺の分母を(1+x^2)にすると、分子は
1+x^2-x^2-x^4+x^4+x^6-x^6-x^8+... となりますよね
右辺が1-x^2+x^4-x^6+...+x^n
とすると上のように考えた時の分子が1+x^(n+2)になってしまいます。
n=∞までやれば問題ないのでしょうか?
投稿日時 - 2001-08-22 03:58:53

  • 回答No.3
レベル13

ベストアンサー率 64% (700/1089)

siegmund です. > 1/(1+x^2)=1-x^2+x^4-x^6+.... > からつかえてしまいました。 > 右辺の分母を(1+x^2)にすると、分子は > 1+x^2-x^2-x^4+x^4+x^6-x^6-x^8+... となりますよね そりゃ,分母を同じにしたら等式なんだから分子も同じになりますよ. そうじゃなくて,brogie さん ...続きを読む
siegmund です.

> 1/(1+x^2)=1-x^2+x^4-x^6+....
> からつかえてしまいました。
> 右辺の分母を(1+x^2)にすると、分子は
> 1+x^2-x^2-x^4+x^4+x^6-x^6-x^8+... となりますよね

そりゃ,分母を同じにしたら等式なんだから分子も同じになりますよ.
そうじゃなくて,brogie さんが言われているのは
(※)  d(arctan(x))/dx = 1-x^2+x^4-x^6+....
の両辺を x で積分しなさい(0 から x まで),ということです.
左辺の積分は arctan(x) - arctan(0) = arctan(x) になり
(arctan(0) = 0 ですから),
右辺の積分は x-x^3+x^5-x^7/7+... になります.

> (1+y)^k = Σ_{n=0}^∞ {k(k-1)(k-2)・・・(k-n+1) / n!} y^n
> のyにx^2を代入して、等式は成り立つのでしょうか?
> 次数の違うものを代入するのはどうもしっくりこないのですが

ん?
等式なんだから,何代入したってOKですよ.
(1+y)^2 = 1 + 2y + y^2 を使って
(1+x^2)^2 = 1 + 2x^2 + x^4 とするでしょ.
同じことです.
お礼コメント
hyuuga

お礼率 71% (5/7)

brogieさんのところで分からなかったのは、
1/(1+x^2)=1-x^2+x^4-x^6+....
の等式自体があっているのかどうかです。
それと、右辺の積分は x-x^3/3+x^5/5-x^7/7+...とはちがいますか?

d(x^2)/dx=2x
d(x^4)/dx=4x^3  
のような時はただ代入する訳にもいかないのですが・・
投稿日時 - 2001-08-22 18:35:07
  • 回答No.4
レベル13

ベストアンサー率 64% (700/1089)

siegmund です. > brogieさんのところで分からなかったのは、 > 1/(1+x^2)=1-x^2+x^4-x^6+.... > の等式自体があっているのかどうかです。 無限等比級数の和の公式 1/(1+y) = 1 - y + y^2 -y^3 + ... の y に x^2 を代入したものです. そういうわけで,収束のために条件 -1 < ...続きを読む
siegmund です.

> brogieさんのところで分からなかったのは、
> 1/(1+x^2)=1-x^2+x^4-x^6+....
> の等式自体があっているのかどうかです。

無限等比級数の和の公式
1/(1+y) = 1 - y + y^2 -y^3 + ...
の y に x^2 を代入したものです.
そういうわけで,収束のために条件 -1 < x < 1 がついているわけです.
収束円上のふるまいは微妙で,項別積分した arctan(x) の収束条件は
-1≦x≦1 です.

> それと、右辺の積分は x-x^3/3+x^5/5-x^7/7+...とはちがいますか?

しまった,brogie さんの回答を copy & paste したとき気づきませんでした.
すみません,おっしゃるとおりです.
もちろん,brogie さんが誤解しているわけではなくて, ミスタイプです.
つまり,
arctan(x) = x- x^3/3 + x^5/5 - x^7/7 + ...
です(グレゴリーの級数と名前が付いています).
この式に x = 1 を代入すると,有名なライプニッツの公式
π/4 = 1 - 1/3 + 1/5 - 1/7 + ...
が得られます.

> d(x^2)/dx=2x
> d(x^4)/dx=4x^3  
> のような時はただ代入する訳にもいかないのですが・・

最初の式の x の代わりに x^2 と置くと違うんじゃないか,ということですか?
最初の式 x の x に代わりに x^2 としたものは,
d(x^4)/dx じゃなくて d(x^4) / d(x^2) ですよ.
お礼コメント
hyuuga

お礼率 71% (5/7)

そうか・・両方をxで微分していたから違ったのか・・・
ありがとうございます。
収束半径の説明までいただいて。。感謝です。
投稿日時 - 2001-08-23 00:11:43
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