Формулы дифференцирования и разложения в ряды обратных гиперболических и обратных тригонометрических функций

Содержание

  1. 1. Дифференцирование ареатангенса и арктангенса
  2. 2. Дифференцирование других функций
  3. 3. Разложения в ряды ареатангенса и арктангенса
  4. 4. Разложения в ряды арксинуса и ареасинуса
  5. 5. Оценка остатков разложения функций в степенные ряды

В настоящей статье приведены формулы дифференцирования и формулы разложения в степенные ряды для обратных гиперболических и обратных тригонометрических функций.

Для производной всюду используется сокращенное обозначение:
dz\mathrm{d}_z вместо ddz\frac{d}{dz}.

Дифференцирование ареатангенса и арктангенса

dz arctanh z=(1z2)1 ,dz arctanz=(1+z2)1 ,\mathrm{d}_z \,\mathrm{arctanh}\, z = (1 -z^2)^{-1} \;, \qquad \mathrm{d}_z \,\arctan z = (1 +z^2)^{-1} \;,

dzarctanh (1/z)=(1z2)1 ,dzarctan(1/z)=(1+z2)1 .\mathrm{d}_z \mathrm{arctanh}\,(1/z) = (1 -z^2)^{-1} \;, \qquad \mathrm{d}_z \arctan(1/z) = -(1 +z^2)^{-1} \;.

Производные высших порядков:

dzr arctanh z=(r1)!(1z2)rkCr2k+1zr2k1\mathrm{d}_z^r \,\mathrm{arctanh}\, z =(r-1)!\cdot \bigl(1-z^2\bigr)^{-r}\cdot \sum_k C_r^{2 k +1}\cdot z^{r -2 k -1}

=(r1)!(1z2)r(Cr1zr1+Cr3zr3+...) ;=(r-1)!\cdot \bigl(1-z^2\bigr)^{-r}\cdot \Bigl(C_r^1\cdot z^{r-1} +C_r^3\cdot z^{r-3} +...\Bigr) \;;

dzr arctanz=(r1)!(1+z2)rk(1)rkCr2k1zr2k+1\mathrm{d}_z^r \,\arctan z =(r-1)!\cdot \bigl(1+z^2\bigr)^{-r}\cdot \sum_k (-1)^{r-k}\cdot C_r^{2 k -1}\cdot z^{r -2 k +1}

=(r1)!(1+z2)r(1)r(Cr1zr1+Cr3zr3...) .=(r-1)!\cdot \bigl(1+z^2\bigr)^{-r}\cdot (-1)^r \Bigl(-C_r^1\cdot z^{r-1} +C_r^3\cdot z^{r-3} -...\Bigr) \;.

Дифференцирование других функций

dzarcsinh z=(z2+1)1/2 ,dzarcsinz=(1z2)1/2 ,\mathrm{d}_z \mathrm{arcsinh}\, z = (z^2 +1)^{-1/2} \;, \qquad \mathrm{d}_z \arcsin z = (1 -z^2)^{-1/2} \;,

dzarccosh z=(z21)1/2 ,dzarccosz=(1z2)1/2 .\mathrm{d}_z \mathrm{arccosh}\, z = (z^2 -1)^{-1/2} \;, \qquad \mathrm{d}_z \arccos z = -(1 -z^2)^{-1/2} \;.

Разложения в ряды ареатангенса и арктангенса

arctanh z=k=012k+1z2k+1=z+13z3+15z5+...(z<1) ; \mathrm{arctanh}\, z = \sum_{k=0}^{\infty} \frac{1}{2k+1}\cdot z^{2k+1} =z +\frac{1}{3}\cdot z^3 +\frac{1}{5}\cdot z^5 +... \qquad (|z|<1) \;;

arctanz=k=0(1)k2k+1z2k+1=z13z3+15z5...(z<1) . \arctan z = \sum_{k=0}^{\infty} \frac{ (-1)^k }{ 2k+1 }\cdot z^{2k+1} =z -\frac{1}{3}\cdot z^3 +\frac{1}{5}\cdot z^5 -... \qquad (|z|<1) \;.

Замечания, касающиеся вычисления значений функций с помощью рядов:

При вычислении функции arctanx\arctan x, при x>0x>0, можно воспользоваться
формулами

arctanx=2π/4arctan(1/x)=2π/8arctan((1x)/(1+x))\arctan x = 2\pi/4 - \arctan(1/x) =2\pi/8 -\arctan\bigl((1-x)/(1+x)\bigr)

=2π/16arctan((21)x1+x(21)) .=2\pi/16 -\arctan\biggl( \frac{\bigl(\sqrt{2} -1\bigr) -x }{ 1+x\cdot \bigl(\sqrt{2}-1\bigr) }\biggr) \;.

Разложения в ряды арксинуса и ареасинуса

При z<1|z|<1

arcsinz=z(1+k=113...(2k1)2kk!(2k+1)z2k)\arcsin z = z\left(1 +\sum_{k=1}^{\infty} \frac{1\cdot 3\cdot ...(2k-1)}{2^k \cdot k!\cdot (2 k +1)}\cdot z^{2 k}\right)

=z+(1/6)z3+(3/40)z5+(5/112)z7+(35/1152)z9+... .=z +(1/6)\cdot z^3 +(3/40)\cdot z^5 +(5/112)\cdot z^7 +(35/1152)\cdot z^9 +... \;.

arcsinh z=z(1+k=1(1)k13...(2k1)2kk!(2k+1)z2k)\mathrm{arcsinh}\, z =z\left(1 +\sum_{k=1}^{\infty} (-1)^k \frac{ 1\cdot 3\cdot ...(2 k -1) }{ 2^k \cdot k!\cdot (2 k +1)}\cdot z^{2 k}\right)

=z(1/6)z3+(3/40)z5(5/112)z7+(35/1152)z9... .=z -(1/6)\cdot z^3 +(3/40)\cdot z^5 -(5/112)\cdot z^7 +(35/1152)\cdot z^9 -... \;.

Оценка остатков разложения функций в степенные ряды

a) Для любого конечного zz

arctanh z=k=0N1z2k+12k+1+ϱN(z)z2N+12N+1 ,\mathrm{arctanh}\, z =\sum_{k=0}^{N-1} \frac{ z^{2 k +1} }{2 k +1} +\varrho_N(z)\cdot \frac{ z^{2 N +1} }{2 N +1} \;,

где

ϱ(z)=2F1(1, N+1/2; N+3/2; z2) .\varrho(z) ={}_2 F_1\bigl(1,\, N+1/2;\, N+3/2;\, z^2\bigr) \;.

При z<1|z|<1 имеет место

ϱN(z)<(1z2)1 .|\varrho_N(z)|< \bigl(1-|z|^2\bigr)^{-1} \;.

b) Для любого конечного zz

arcsinz=z+k=1N1wk z2k+1+ϱN(z)wN z2N+1 ,\arcsin z =z +\sum_{k=1}^{N-1} w_k \,z^{2 k +1} +\varrho_N(z)\cdot w_N \,z^{2 N +1} \;,

где

wk=13...(2k1)2kk!(2k+1) ,w_k =\frac{1\cdot 3\cdot ...(2k-1)}{2^k \cdot k!\cdot (2 k +1)} \;,

ϱ(z)=3F2(1, N+1/2, N+1/2; N+1, N+3/2; z2) .\varrho(z) ={}_3 F_2\bigl(1,\, N+1/2,\, N+1/2;\, N+1,\, N+3/2;\, z^2\bigr) \;.

При z<1|z|<1 имеет место

ϱN(z)<(1z2)1 .|\varrho_N(z)|< \bigl(1-|z|^2\bigr)^{-1} \;.

Возникли трудности с работой по этой теме? У нас вы можете заказать научную статью по математике по низкой цене!

Комментарии

Нет комментариев
Не можешь разобраться в этой теме?
Обратись за помощью к экспертам
Гарантированные бесплатные доработки
Быстрое выполнение от 2 часов
Проверка работы на плагиат
Прямой эфир