Question Number 135384 by Bird last updated on 12/Mar/21
$${let}\:{f}\left({x}\right)={ln}\left(\mathrm{2}+{x}^{\mathrm{3}} \right) \\ $$$${if}\:{f}\left({x}\right)=\Sigma{a}_{{n}} {x}^{{n}} \\ $$$${find}\:{a}_{{n}} \\ $$
Answered by Dwaipayan Shikari last updated on 12/Mar/21
$${f}\left({x}\right)=\underset{{n}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{{f}^{{n}} \left(\mathrm{0}\right)}{{n}!}{x}^{{n}} \\ $$$${a}_{{n}} =\frac{{f}^{{n}} \left(\mathrm{0}\right)}{{n}!} \\ $$$${f}\left({x}\right)={log}\left(\alpha^{\mathrm{3}} +{x}^{\mathrm{3}} \right)={log}\left(\alpha+{x}\right)+{log}\left(\alpha^{\mathrm{2}} −\alpha{x}+{x}^{\mathrm{2}} \right) \\ $$$$={log}\left(\alpha+{x}\right)+{log}\left({x}−\beta\right)+{log}\left({x}−\gamma\right)\:\:\:\:\:\:\:\:\beta=\alpha{e}^{\frac{\mathrm{2}\pi{i}}{\mathrm{3}}} \:\gamma=\alpha{e}^{\frac{−\mathrm{2}\pi{i}}{\mathrm{3}}} \\ $$$${f}'\left({x}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\left(\alpha+{x}\right)}+\frac{\mathrm{1}}{{x}−\beta}+\frac{\mathrm{1}}{{x}−\gamma} \\ $$$${f}''\left({x}\right)=\frac{−\mathrm{1}}{\left(\alpha+{x}\right)^{\mathrm{2}} }+\frac{−\mathrm{1}}{\left({x}−\beta\right)^{\mathrm{2}} }−\frac{\mathrm{1}}{\left({x}−\gamma\right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$${f}^{{n}} \left({x}\right)=\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}+\mathrm{1}} \left({n}−\mathrm{1}\right)!\left(\frac{\mathrm{1}}{\left(\alpha+{x}\right)^{{n}} }+\frac{\mathrm{1}}{\left({x}−\beta\right)^{{n}} }+\frac{\mathrm{1}}{\left({x}−\gamma\right)^{{n}} }\right) \\ $$$$=\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}+\mathrm{1}} \left({n}−\mathrm{1}\right)!\left(\frac{\mathrm{1}}{\left(\alpha+{x}\right)^{{n}} }+\frac{\left({x}−\beta\right)^{{n}} +\left({x}−\gamma\right)^{{n}} }{\left(\alpha^{\mathrm{2}} −\alpha{x}+{x}^{\mathrm{2}} \right)^{{n}} }\right) \\ $$$${a}_{{n}} =\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}+\mathrm{1}} }{{n}}\left(\frac{\mathrm{1}}{\alpha^{{n}} }+\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} \left({e}^{\frac{\mathrm{2}\pi{in}}{\mathrm{3}}} +{e}^{−\frac{\mathrm{2}\pi{in}}{\mathrm{3}}} \right)}{\left(\alpha^{\mathrm{2}} \right)^{{n}} }\right)\:\:\:\:\alpha=\sqrt[{\mathrm{3}}]{\mathrm{2}} \\ $$$${a}_{{n}} =\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}+\mathrm{1}} }{{n}}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}^{\frac{{n}}{\mathrm{3}}} }+\frac{\mathrm{2}\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} {cos}\left(\frac{\mathrm{2}\pi{n}}{\mathrm{3}}\right)}{\left(\sqrt[{\mathrm{3}}]{\mathrm{4}}\right)^{{n}} }\right) \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 12/Mar/21
$$\mathrm{thank}\:\mathrm{you}\:\mathrm{sir} \\ $$
Answered by Olaf last updated on 12/Mar/21
$${f}\left({x}\right)\:=\:\mathrm{ln}\left(\mathrm{2}+{x}^{\mathrm{3}} \right) \\ $$$${f}'\left({x}\right)\:=\:\frac{\mathrm{3}{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}+{x}^{\mathrm{3}} }\:=\:\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}.\frac{{x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}+\left(\frac{{x}}{\mathrm{2}^{\mathrm{1}/\mathrm{3}} }\right)^{\mathrm{3}} } \\ $$$${f}'\left({x}\right)\:=\:\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}{x}^{\mathrm{2}} \underset{{n}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} \left(\frac{{x}}{\mathrm{2}^{\mathrm{1}/\mathrm{3}} }\right)^{{n}} \\ $$$${f}'\left({x}\right)\:=\:\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}\underset{{n}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{\mathrm{2}^{{n}/\mathrm{3}} }{x}^{{n}+\mathrm{2}} \\ $$$${f}\left({x}\right)\:=\:\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}\underset{{n}=\mathrm{0}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{\left({n}+\mathrm{3}\right)\mathrm{2}^{{n}/\mathrm{3}} }{x}^{{n}+\mathrm{3}} +\mathrm{C} \\ $$$${f}\left(\mathrm{0}\right)\:=\:\mathrm{ln}\left(\mathrm{2}+\mathrm{0}\right)\:=\:\mathrm{ln2}\:\Rightarrow\:\mathrm{C}\:=\:\mathrm{ln2} \\ $$$${f}\left({x}\right)\:=\:\mathrm{3}\underset{{n}=\mathrm{3}} {\overset{\infty} {\sum}}\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{{n}\mathrm{2}^{{n}} }{x}^{{n}} +\mathrm{ln2} \\ $$$${a}_{\mathrm{0}} \:=\:\mathrm{ln2},\:{a}_{\mathrm{1}} \:=\:{a}_{\mathrm{2}} \:=\:\mathrm{0}\:\mathrm{and}\:{a}_{{n}} \:=\:\frac{\mathrm{3}\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} }{{n}\mathrm{2}^{{n}} },\:{n}\geqslant\mathrm{3} \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 12/Mar/21
$$\mathrm{thank}\:\mathrm{you}\:\mathrm{sir}\: \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 14/Mar/21
$$\mathrm{a}_{\mathrm{n}} =\frac{\mathrm{f}^{\left.\right)\left.\mathrm{n}\right)} \left(\mathrm{0}\right)}{\mathrm{n}!}\:\:\mathrm{let}\:\mathrm{determine}\:\mathrm{f}^{\left.\right)\left.\mathrm{n}\right)} \left(\mathrm{0}\right)\:\mathrm{we}\:\mathrm{have}\:\mathrm{f}^{'} \left(\mathrm{x}\right)=\frac{\mathrm{3x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{x}^{\mathrm{3}} \:+\mathrm{2}} \\ $$$$\mathrm{let}\:\alpha=^{\mathrm{3}} \sqrt{\mathrm{2}}\:\Rightarrow\mathrm{f}^{'} \left(\mathrm{x}\right)=\frac{\mathrm{3x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{x}^{\mathrm{3}} \:+\alpha^{\mathrm{3}} }=\frac{\mathrm{3x}^{\mathrm{2}} }{\left(\mathrm{x}+\alpha\right)\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\alpha\mathrm{x}\:+\alpha^{\mathrm{2}} \right)} \\ $$$$=\frac{\mathrm{a}}{\mathrm{x}+\alpha}+\frac{\mathrm{bx}\:+\mathrm{c}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\alpha\mathrm{x}\:+\alpha^{\mathrm{2}} }\:\:\mathrm{we}\:\mathrm{have}\:\mathrm{a}=\frac{\mathrm{3}\alpha^{\mathrm{2}} }{\mathrm{3}\alpha^{\mathrm{2}} }=\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}} \\ $$$$\mathrm{lim}_{\mathrm{x}\rightarrow+\infty} \mathrm{xf}^{'} \left(\mathrm{x}\right)=\mathrm{3}\:=\mathrm{a}+\mathrm{b}\:\Rightarrow\mathrm{b}=\mathrm{3}−\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}=\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}} \\ $$$$\mathrm{f}^{'} \left(\mathrm{0}\right)=\mathrm{0}\:=\frac{\mathrm{a}}{\alpha}+\frac{\mathrm{c}}{\alpha^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow\mathrm{o}=\alpha\mathrm{a}\:+\mathrm{c}\:\Rightarrow\mathrm{c}=−\alpha.\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{f}^{'} \left(\mathrm{x}\right)=\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}\left(\mathrm{x}+\alpha\right)}+\frac{\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}\mathrm{x}−\frac{\mathrm{3}\alpha}{\mathrm{2}}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\alpha\mathrm{x}\:+\alpha^{\mathrm{2}} }\:=\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}\left(\mathrm{x}+\alpha\right)}+\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}\frac{\mathrm{x}−\alpha}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\alpha\mathrm{x}\:+\alpha^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\mathrm{let}\:\mathrm{decompose}\:\mathrm{inside}\:\mathrm{C}\left(\mathrm{x}\right)\:\mathrm{the}\:\mathrm{fraction}\:\mathrm{F}\left(\mathrm{x}\right)=\frac{\mathrm{x}−\alpha}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} −\alpha\mathrm{x}\:+\alpha^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\Delta=\alpha^{\mathrm{2}} −\mathrm{4}\alpha^{\mathrm{2}} \:=−\mathrm{3}\alpha^{\mathrm{2}} \:\Rightarrow\mathrm{z}_{\mathrm{1}} =\frac{\alpha+\mathrm{i}\alpha\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}\:=\alpha\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}+\mathrm{i}\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}\right)=\alpha\:\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \\ $$$$\mathrm{z}_{\mathrm{2}} =\alpha\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{3}}} \:\Rightarrow\mathrm{F}\left(\mathrm{x}\right)=\frac{\mathrm{a}}{\mathrm{x}−\mathrm{z}_{\mathrm{1}} }+\frac{\mathrm{b}}{\mathrm{x}−\mathrm{z}_{\mathrm{2}} }\left(=\frac{\mathrm{x}−\alpha}{\left(\mathrm{x}−\mathrm{z}_{\mathrm{1}} \right)\left(\mathrm{x}−\mathrm{z}_{\mathrm{2}} \right)}\right) \\ $$$$\mathrm{a}\:=\frac{\mathrm{z}_{\mathrm{1}} −\alpha}{\mathrm{z}_{\mathrm{1}} −\mathrm{z}_{\mathrm{2}} }=\frac{\mathrm{z}_{\mathrm{1}} −\alpha}{\mathrm{2i}\alpha\frac{\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{2}}}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{i}\alpha\sqrt{\mathrm{3}}}\left(\mathrm{z}_{\mathrm{1}} −\alpha\right) \\ $$$$\mathrm{b}\:=\frac{\mathrm{z}_{\mathrm{2}} −\alpha}{\mathrm{z}_{\mathrm{2}} −\mathrm{z}_{\mathrm{1}} }\:=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{i}\alpha\sqrt{\mathrm{3}}}\left(\mathrm{z}_{\mathrm{2}} −\alpha\right)\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{f}^{'} \left(\mathrm{x}\right)=\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}\left(\mathrm{x}+\alpha\right)}+\frac{\mathrm{3}\left(\mathrm{z}_{\mathrm{1}} −\alpha\right)}{\mathrm{2i}\alpha\sqrt{\mathrm{3}}\left(\mathrm{x}−\mathrm{z}_{\mathrm{1}} \right)}−\frac{\mathrm{3}\left(\mathrm{z}_{\mathrm{2}} −\alpha\right)}{\mathrm{2i}\alpha\sqrt{\mathrm{3}}\left(\mathrm{x}−\mathrm{z}_{\mathrm{2}} \right)}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{f}^{\left(\mathrm{n}\right)} \left(\mathrm{x}\right)=\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}\left\{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{x}+\alpha}\right\}^{\left(\mathrm{n}−\mathrm{1}\right)} \:+\frac{\mathrm{3}\left(\mathrm{z}_{\mathrm{1}} −\alpha\right)}{\mathrm{2i}\sqrt{\mathrm{3}}}\left\{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{x}−\mathrm{z}_{\mathrm{1}} }\right\}^{\left(\mathrm{n}−\mathrm{1}\right)} −\frac{\mathrm{3}\left(\mathrm{z}_{\mathrm{2}} −\alpha\right)}{\mathrm{2i}\sqrt{\mathrm{3}}}\left\{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{x}−\mathrm{z}_{\mathrm{2}} }\right\}^{\left(\mathrm{n}−\mathrm{1}\right)} \\ $$$$=\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}−\mathrm{1}} \left(\mathrm{n}−\mathrm{1}\right)!}{\left(\mathrm{x}+\alpha\right)^{\mathrm{n}} }+\frac{\mathrm{3}\left(\mathrm{z}_{\mathrm{1}} −\alpha\right)}{\mathrm{2i}\sqrt{\mathrm{3}}}×\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}−\mathrm{1}} \left(\mathrm{n}−\mathrm{1}\right)!}{\left(\mathrm{x}−\mathrm{z}_{\mathrm{1}} \right)^{\mathrm{n}} } \\ $$$$−\frac{\mathrm{3}\left(\mathrm{z}_{\mathrm{2}} −\alpha\right)}{\mathrm{2i}\sqrt{\mathrm{3}}}×\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} \left(\mathrm{n}−\mathrm{1}\right)!}{\left(\mathrm{x}−\mathrm{z}_{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{n}} }\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{a}_{\mathrm{n}} =\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{n}!}\mathrm{f}^{\left(\mathrm{n}\right)} \left(\mathrm{0}\right)\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{n}!}\left\{\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{2}}\alpha^{−\mathrm{n}} \left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}−\mathrm{1}} \left(\mathrm{n}−\mathrm{1}\right)!+\frac{\mathrm{3}\left(\mathrm{z}_{\mathrm{1}} −\alpha\right)}{\mathrm{2i}\sqrt{\mathrm{3}}}\left(−\mathrm{z}_{\mathrm{1}} \right)^{−\mathrm{n}} \left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}−\mathrm{1}} \left(\mathrm{n}−\mathrm{1}\right)!\right. \\ $$$$\left.−\frac{\mathrm{3}\left(\mathrm{z}_{\mathrm{2}} −\alpha\right)}{\mathrm{2i}\sqrt{\mathrm{3}}}\left(−\mathrm{z}_{\mathrm{2}} \right)^{−\mathrm{n}} \left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} \left(\mathrm{n}−\mathrm{1}\right)!\right\} \\ $$