方企勤 第二章 一元函数微分学 第12题

教材习题

📝 题目

例 12 设 $y = {\left( \arcsin x\right) }^{2}$ .

(1) 求证: $\left( {1 - {x}^{2}}\right) {y}^{\prime \prime } - x{y}^{\prime } = 2$ ; (2) 求 ${y}^{\left( n\right) }\left( 0\right)$ .

💡 答案解析

证 $\left( 1\right) {y}^{\prime } = 2\frac{\arcsin x}{\sqrt{1 - {x}^{2}}} \Rightarrow \left( {1 - {x}^{2}}\right) {\left( {y}^{\prime }\right) }^{2} = {4y}$

$$ \overset{\text{ 对 }}{ \Rightarrow }2{y}^{\prime }{y}^{\prime \prime }\left( {1 - {x}^{2}}\right) - {2x}{\left( {y}^{\prime }\right) }^{2} = 4{y}^{\prime }, $$

化简即得 $\left( {1 - {x}^{2}}\right) {y}^{\prime \prime } - x{y}^{\prime } = 2$ .

解 (2) 显然 $y\left( 0\right) = 0$ ,由第 (1) 小题知 ${y}^{\prime }\left( 0\right) = 0,{y}^{\prime \prime }\left( 0\right) = 2$ . 为了求 ${y}^{\left( n\right) }\left( 0\right)$ ,我们对第 (1) 小题所证的方程,两边求 $n$ 阶导数,得

$$ \left( {1 - {x}^{2}}\right) {y}^{\left( n + 2\right) } - {2nx}{y}^{\left( n + 1\right) } - n\left( {n - 1}\right) {y}^{\left( n\right) } - x{y}^{\left( n + 1\right) } - n{y}^{\left( n\right) } = 0, $$

化简得

$$ \left( {1 - {x}^{2}}\right) {y}^{\left( n + 2\right) } - \left( {{2n} + 1}\right) x{y}^{\left( n + 1\right) } - {n}^{2}{y}^{\left( n\right) } = 0\;\left( {n \geq 1}\right) . $$

由此,令 $x = 0$ ,得 ${y}^{\left( n + 2\right) }\left( 0\right) = {n}^{2}{y}^{\left( n\right) }\left( 0\right) \left( {n \geq 1}\right)$ . 这是 ${y}^{\left( n\right) }\left( 0\right)$ 的递推公式, 根据这个公式, 有

$$ {y}^{\prime }\left( 0\right) = 0 \Rightarrow {y}^{\left( 2n + 1\right) }\left( 0\right) = 0\;\left( {n = 0,1,2,\cdots }\right) ; $$

$$ {y}^{\prime \prime }\left( 0\right) = 2 \Rightarrow {y}^{\left( 2n\right) }\left( 0\right) = 2{\left\lbrack \left( 2n - 2\right) !!\right\rbrack }^{2}\;\left( {n = 1,2,\cdots }\right) . $$

📋 详细解题步骤

步骤 1/2
目标:证明 (1-x^2)y'' - x y' = 2
首先求一阶导数:y' = 2 arcsin x / sqrt(1-x^2)。然后两边平方并乘以 (1-x^2) 得到 (1-x^2)(y')^2 = 4y。接着对等式两边求导,得到 2y'y''(1-x^2) - 2x(y')^2 = 4y'。化简后即得 (1-x^2)y'' - x y' = 2。
公式:y' = 2 arcsin x / sqrt(1-x^2); (1-x^2)(y')^2 = 4y; 求导后化简得 (1-x^2)y'' - x y' = 2
提示:注意对乘积求导时不要遗漏项。
步骤 2/2
目标:求 y^(n)(0)
由 y(0)=0 及 (1) 中方程得 y'(0)=0, y''(0)=2。对方程 (1-x^2)y'' - x y' = 2 两边求 n 阶导数,得到 (1-x^2)y^(n+2) - (2n+1)x y^(n+1) - n^2 y^(n) = 0。令 x=0 得递推公式 y^(n+2)(0) = n^2 y^(n)(0) (n≥1)。由此得奇数阶导数为零:y^(2n+1)(0)=0;偶数阶导数:y^(2n)(0)=2[(2n-2)!!]^2。
公式:递推公式: y^(n+2)(0) = n^2 y^(n)(0); 结果: y^(2n+1)(0)=0, y^(2n)(0)=2[(2n-2)!!]^2
提示:注意递推公式中 n 从 1 开始,初始条件 y''(0)=2。

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