arcsin・arccos のマクローリン展開

arcsin・arccos のマクローリン展開

x<1|x| < 1 なる実数 xx について,

arcsinx=x+16x3+340x5+arccosx=π2x16x3340x5\begin{aligned} \arcsin x &= x + \dfrac{1}{6} x^3 + \dfrac{3}{40} x^5 + \cdots\\ \arccos x &= \dfrac{\pi}{2} - x - \dfrac{1}{6} x^3 - \dfrac{3}{40} x^5 - \cdots \end{aligned}

となる。

この記事では逆三角関数のうち逆正弦関数(arcsin\arcsin)と逆余弦関数(arccos\arccos)のマクローリン展開を計算します。

逆正接関数(arctan\arctan)については Arctanのマクローリン展開の3通りの方法 をどうぞ。

シグマを使った表示

Σ\Sigma を用いると arcsinx=n=0(2n1)!!(2n)!!(2n+1)x2n+1 \arcsin x = \sum_{n=0}^{\infty} \dfrac{(2n-1)!!}{(2n)!! (2n+1)} x^{2n+1} と表されます。((1)!!=0!!=1(-1)!! = 0!! = 1 としています)

また,arccosx+arcsinx=π2\arccos x + \arcsin x = \dfrac{\pi}{2} なので,arcsin\arcsin の表示から arccos\arccos の表示が得られます。

証明

一般化二項定理を使って証明します。

ポイントは (arcsinx)=11x2(\arcsin x)' = \dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}} であることです。

証明

(1+x)α=n=0(αn)xn (1+x)^{\alpha} = \sum_{n=0}^{\infty} \begin{pmatrix} \alpha\\ n \end{pmatrix} x^n

ただし (αn)={α(α1)(αn+1)n!(n0)1(n=0) \begin{pmatrix} \alpha\\ n \end{pmatrix} = \begin{cases} \dfrac{\alpha (\alpha-1) \cdots (\alpha - n + 1)}{n!} &(n \neq 0)\\ 1 &(n=0) \end{cases} であった。

α=12\alpha = - \dfrac{1}{2} として計算する。 1n!(12)(12n+1)=(1)nn!12×32××2n12=(1)n(2n1)!!(2n)!!\begin{aligned} &\dfrac{1}{n!} \left( -\dfrac{1}{2} \right) \cdots \left( -\dfrac{1}{2} - n + 1 \right)\\ &= \dfrac{(-1)^n}{n!} \dfrac{1}{2}\times \dfrac{3}{2} \times \cdots \times \dfrac{2n-1}{2}\\ &= (-1)^n \dfrac{(2n-1)!!}{(2n)!!} \end{aligned} より 11x2=n=0(1)n(2n1)!!(2n)!!(x2)n=n=0(2n1)!!(2n)!!x2n\begin{aligned} &\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}} \\ &= \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \dfrac{(2n-1)!!}{(2n)!!} (-x^{2})^n \\ &= \sum_{n=0}^{\infty} \dfrac{(2n-1)!!}{(2n)!!} x^{2n} \end{aligned}n=0n=0 のとき (2n1)!!=(2n)!!=1(2n-1)!! = (2n)!! = 1 としている)

これを辺々積分することで求める式を得る。

arctan の展開で紹介した他の方法でも証明ができます。やや計算が大変ですが,興味がある人はやってみましょう。