Question Number 124066 by Bird last updated on 30/Nov/20
$${let}\:{f}\left({x}\right)={arctan}\left(\frac{\mathrm{2}}{{x}}\right) \\ $$$${calculate}\:{f}^{\left({n}\right)} \left({x}\right)\:{and}\:{f}^{\left({n}\right)} \left(\mathrm{1}\right) \\ $$$${find}\:{f}^{\left(\mathrm{7}\right)} \left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{7}}\right) \\ $$
Answered by Olaf last updated on 30/Nov/20
$$ \\ $$$${f}\left({x}\right)\:=\:\mathrm{arctan}\left(\frac{\mathrm{2}}{{x}}\right) \\ $$$${f}'\left({x}\right)\:=\:−\frac{\mathrm{2}}{{x}^{\mathrm{2}} }×\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}+\frac{\mathrm{4}}{{x}^{\mathrm{2}} }}\:=\:−\frac{\mathrm{2}}{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}} \\ $$$${f}'\left({x}\right)\:=\:\frac{{i}}{\mathrm{2}}\left[\frac{\mathrm{1}}{{x}−\mathrm{2}{i}}−\frac{\mathrm{1}}{{x}+\mathrm{2}{i}}\right] \\ $$$${f}^{\left({n}\right)} \left({x}\right)\:=\:\frac{{i}}{\mathrm{2}}\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} \left({n}−\mathrm{1}\right)!\left[\frac{\mathrm{1}}{\left({x}−\mathrm{2}{i}\right)^{{n}} }−\frac{\mathrm{1}}{\left({x}+\mathrm{2}{i}\right)^{{n}} }\right] \\ $$$${f}^{\left({n}\right)} \left({x}\right)\:=\:\frac{{i}}{\mathrm{2}}\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} \left({n}−\mathrm{1}\right)!\left[\frac{\mathrm{1}}{\left(\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}}{e}^{−{i}\mathrm{arctan}\frac{\mathrm{2}}{{x}}} \right)^{{n}} }−\frac{\mathrm{1}}{\left(\sqrt{{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}}{e}^{{i}\mathrm{arctan}\frac{\mathrm{2}}{{x}}} \right)^{{n}} }\right] \\ $$$${f}^{\left({n}\right)} \left({x}\right)\:=\:\frac{{i}\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} \left({n}−\mathrm{1}\right)!}{\mathrm{2}\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}\right)^{\frac{{n}}{\mathrm{2}}} }\left[\frac{\mathrm{1}}{{e}^{−{in}\mathrm{arctan}\frac{\mathrm{2}}{{x}}} }−\frac{\mathrm{1}}{{e}^{{in}\mathrm{arctan}\frac{\mathrm{2}}{{x}}} }\right] \\ $$$${f}^{\left({n}\right)} \left({x}\right)\:=\:\frac{{i}\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} \left({n}−\mathrm{1}\right)!}{\mathrm{2}\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}\right)^{\frac{{n}}{\mathrm{2}}} }\left[{e}^{{in}\mathrm{arctan}\frac{\mathrm{2}}{{x}}} −{e}^{−{in}\mathrm{arctan}\frac{\mathrm{2}}{{x}}} \right] \\ $$$${f}^{\left({n}\right)} \left({x}\right)\:=\:−\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} \left({n}−\mathrm{1}\right)!}{\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}\right)^{\frac{{n}}{\mathrm{2}}} }\mathrm{sin}\left({n}\mathrm{arctan}\frac{\mathrm{2}}{{x}}\right) \\ $$$${f}^{\left({n}\right)} \left({x}\right)\:=\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} \left({n}−\mathrm{1}\right)!}{\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}\right)^{\frac{{n}}{\mathrm{2}}} }\mathrm{sin}\left({n}\mathrm{arctan}\frac{\mathrm{2}}{{x}}\right) \\ $$$${f}^{\left({n}\right)} \left(\mathrm{1}\right)\:=\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}} \left({n}−\mathrm{1}\right)!}{\mathrm{5}^{\frac{{n}}{\mathrm{2}}} }\mathrm{sin}\left({n}\mathrm{arctan2}\right) \\ $$$${f}^{\left(\mathrm{7}\right)} \left({x}\right)\:=\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{7}} \mathrm{6}!}{\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}\right)^{\frac{\mathrm{7}}{\mathrm{2}}} }\mathrm{sin}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{7}}\mathrm{arctan}\frac{\mathrm{2}}{{x}}\right) \\ $$$${f}^{\left(\mathrm{7}\right)} \left({x}\right)\:=\:−\frac{\mathrm{720}}{\left({x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{4}\right)^{\frac{\mathrm{7}}{\mathrm{2}}} }\mathrm{sin}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{7}}\mathrm{arctan}\frac{\mathrm{2}}{{x}}\right) \\ $$$${f}^{\left(\mathrm{7}\right)} \left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{7}}\right)\:=\:−\frac{\mathrm{720}}{\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{49}}+\mathrm{4}\right)^{\frac{\mathrm{7}}{\mathrm{2}}} }\mathrm{sin}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{7}}\mathrm{arctan14}\right) \\ $$$${f}^{\left(\mathrm{7}\right)} \left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{7}}\right)\:=\:−\frac{\mathrm{720}}{\left(\frac{\mathrm{197}}{\mathrm{49}}\right)^{\frac{\mathrm{7}}{\mathrm{2}}} }\mathrm{sin}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{7}}\mathrm{arctan14}\right) \\ $$$${f}^{\left(\mathrm{7}\right)} \left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{7}}\right)\:=\:−\frac{\mathrm{720}×\mathrm{7}^{\mathrm{7}} }{\mathrm{197}^{\mathrm{3}} \sqrt{\mathrm{197}}}\mathrm{sin}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{7}}\mathrm{arctan14}\right) \\ $$$${f}^{\left(\mathrm{7}\right)} \left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{7}}\right)\:=\:−\frac{\mathrm{823543}}{\:\mathrm{38809}\sqrt{\mathrm{197}}}\mathrm{sin}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{7}}\mathrm{arctan14}\right) \\ $$$$…\mathrm{maybe}… \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 30/Nov/20
$$\mathrm{thank}\:\mathrm{you}\:\mathrm{sir}. \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 04/Dec/20
$$\mathrm{we}\:\mathrm{have}\:\mathrm{f}\left(\mathrm{x}\right)=\mathrm{arctan}\left(\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{x}}\right)\Rightarrow\mathrm{f}^{\left(\mathrm{1}\right)} \left(\mathrm{x}\right)=−\frac{\mathrm{2}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{1}+\frac{\mathrm{4}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} }\right)}=\frac{−\mathrm{2}}{\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{4}} \\ $$$$=\frac{−\mathrm{2}}{\left(\mathrm{x}−\mathrm{2i}\right)\left(\mathrm{x}+\mathrm{2i}\right)}\:=\frac{−\mathrm{2}}{\mathrm{4i}}\left\{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{x}−\mathrm{2i}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{x}+\mathrm{2i}}\right\}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2i}}\left\{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{x}+\mathrm{2i}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{x}−\mathrm{2i}}\right\}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{f}^{\left(\mathrm{n}\right)} \left(\mathrm{x}\right)=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2i}}\left\{\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{x}+\mathrm{2i}}\right)^{\left.\right)\left.\mathrm{n}−\mathrm{1}\right)} −\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{x}−\mathrm{2i}}\right)^{\left(\mathrm{n}−\mathrm{1}\right)} \right\} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2i}}\left\{\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}−\mathrm{1}} \left(\mathrm{n}−\mathrm{1}\right)!}{\left(\mathrm{x}+\mathrm{2i}\right)^{\mathrm{n}} }−\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}−\mathrm{1}} \left(\mathrm{n}−\mathrm{1}\right)!}{\left(\mathrm{x}−\mathrm{2i}\right)^{\mathrm{n}} }\right\}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{f}^{\left(\mathrm{n}\right)} \left(\mathrm{x}\right)=\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}−\mathrm{1}} \left(\mathrm{n}−\mathrm{1}\right)!}{\mathrm{2i}}\left\{\frac{\left(\mathrm{x}−\mathrm{2i}\right)^{\mathrm{n}} −\left(\mathrm{x}+\mathrm{2i}\right)^{\mathrm{n}} }{\left(\mathrm{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{4}\right)^{\mathrm{n}} }\right\}\:\:\left(\mathrm{n}>\mathrm{0}\right) \\ $$$$\mathrm{f}^{\left(\mathrm{n}\right)} \left(\mathrm{1}\right)\:=\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}−\mathrm{1}} \left(\mathrm{n}−\mathrm{1}\right)!}{\mathrm{2i}}\left\{\frac{\left(\mathrm{1}−\mathrm{2i}\right)^{\mathrm{n}} −\left(\mathrm{1}+\mathrm{2i}\right)^{\mathrm{n}} }{\mathrm{5}^{\mathrm{n}} }\right\} \\ $$$$\mathrm{but}\:\mathrm{1}−\mathrm{2i}\:=\sqrt{\mathrm{5}}\:\mathrm{e}^{−\mathrm{iarctan}\left(\mathrm{2}\right)} \:\:\mathrm{and}\:\mathrm{1}+\mathrm{2i}\:=\sqrt{\mathrm{5}}\mathrm{e}^{\mathrm{iarctan}\left(\mathrm{2}\right)} \:\Rightarrow \\ $$$$\left(\mathrm{1}−\mathrm{2i}\right)^{\mathrm{n}} −\left(\mathrm{1}+\mathrm{2i}\right)^{\mathrm{n}} \:=−\sqrt{\mathrm{5}}\left\{\:\mathrm{e}^{\mathrm{iarctan}\left(\mathrm{2}\right)} −\mathrm{e}^{−\mathrm{iarctan}\left(\mathrm{2}\right)} \right\} \\ $$$$=−\sqrt{\mathrm{5}}\left(\mathrm{2isin}\left(\mathrm{arctan}\left(\mathrm{2}\right)\right)\right\}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{f}^{\left(\mathrm{n}\right)} \left(\mathrm{1}\right)\:=\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}−\mathrm{1}} \left(\mathrm{n}−\mathrm{1}\right)!}{\mathrm{2i}\:\mathrm{5}^{\mathrm{n}} }\left(−\sqrt{\mathrm{5}}\mathrm{2isin}\left(\mathrm{arctan}\left(\mathrm{2}\right)\right)\right. \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{5}^{\mathrm{n}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}} }\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{n}} \left(\mathrm{n}−\mathrm{1}\right)!\:\mathrm{sin}\left(\mathrm{arctan2}\right) \\ $$