tanxの高階微分とマクローリン展開

tan⁡x\tan x のマクローリン展開(x=0x=0 におけるテイラー展開)は

tan⁡x=x+13x3+215x5+17315x7+⋯\tan x=x+\dfrac{1}{3}x^3+\dfrac{2}{15}x^5+\dfrac{17}{315}x^7+\cdots

tan⁡x\tan x の nn 階微分を n=5n=5 くらいまで計算してみましょう。いくつか面白い性質が発見できます。

tanxの高階微分

微分

(tan⁡x)′=1cos⁡2x=1+tan⁡2x(\tan x)'=\dfrac{1}{\cos^2x}\\ =1+\tan^2x →tanxと1/tanxの微分公式のいろいろな証明

x=0x=0 における微分係数は 11

二階微分

合成関数の微分公式を使うと,

2tan⁡x(tan⁡x)′=2tan⁡x⋅1cos⁡2x=2tan⁡x(1+tan⁡2x)=2tan⁡x+2tan⁡3x\begin{aligned} &2\tan x(\tan x)'\\ &=2\tan x\cdot \dfrac{1}{\cos^2x}\\ &=2\tan x(1+\tan^2x)\\ &=2\tan x+2\tan^3x \end{aligned}

x=0x=0 における二階微分の値は 00

このように, 1cos⁡2x=1+tan⁡2x\dfrac{1}{\cos^2x}=1+\tan^2x を用いて分数を除去すると計算が楽です。

三階微分

21cos⁡2x+2⋅3tan⁡2x1cos⁡2x=2(1+tan⁡2x)+6tan⁡2x(1+tan⁡2x)=2+8tan⁡2x+6tan⁡4x\begin{aligned} &2\dfrac{1}{\cos^2x}+2\cdot 3\tan^2x\dfrac{1}{\cos^2x}\\ &=2(1+\tan^2x)+6\tan^2x(1+\tan^2x)\\ &=2+8\tan^2x+6\tan^4x \end{aligned}

x=0x=0 における三階微分の値は 22

このように, tan⁡x\tan x の奇数階導関数は tan⁡x\tan x の偶数次の項のみからなる式で表せます。

四階微分

16tan⁡x(1+tan⁡2x)+24tan⁡3x(1+tan⁡2x)=16tan⁡x+40tan⁡3x+24tan⁡5x\begin{aligned} &16\tan x(1+\tan^2x)+24\tan^3x(1+\tan^2x)\\ &=16\tan x+40\tan^3x+24\tan^5x \end{aligned}

x=0x=0 における四階微分の値は 00

このように, tan⁡x\tan x の偶数階導関数は tan⁡x\tan x の奇数次の項のみからなる式で表せます。

五階微分

16(1+tan⁡2x)+120tan⁡2x(1+tan⁡2x)+120tan⁡4x(1+tan⁡2x)=16+136tan⁡2x+240tan⁡4x+120tan⁡6x\begin{aligned} &16(1+\tan^2x)+120\tan^2x(1+\tan^2x)\\ &+120\tan^4x(1+\tan^2x)\\ &=16+136\tan^2x+240\tan^4x+120\tan^6x \end{aligned}

x=0x=0 における五階微分の値は 1616

以上の結果から,tan⁡x\tan x を x=0x=0 で五次まで展開すると

11x+23!x3+165!x5=x+13x3+215x5\begin{aligned} &\dfrac{1}{1}x+\dfrac{2}{3!}x^3+\dfrac{16}{5!}x^5\\ &=x+\dfrac{1}{3}x^3+\dfrac{2}{15}x^5 \end{aligned}

となることが分かります。

実は,各導関数について 隣り合う係数を交互に足し引きしていくと 00 になることが分かります。五階微分の場合だと 16−136+240−120=016-136+240-120=0 という感じです。

ベルヌーイ数を用いた表現

tan⁡x\tan x のマクローリン展開は,sin⁡x\sin x や cos⁡x\cos x ほどきれいに書くことはできません。

しかしベルヌーイ数 BnB_{n} を用いると, tan⁡x=∑n=1∞22n(22n−1)(−1)n−1B2n(2n)!x2n−1 \tan x= \sum_{n=1}^{\infty}\dfrac{2^{2n}(2^{2n}-1)(-1)^{n-1}B_{2n}}{(2n)!}x^{2n-1} とシンプルに書かれることが知られています。

ベルヌーイ数については ベルヌーイ数とゼータ関数 を参照してください。

三次の係数が 13\frac{1}{3} であることくらいは覚えておくと役立つかもしれません。