Question Number 83254 by mathmax by abdo last updated on 29/Feb/20
$${let}\:{f}\left({x}\right)={arctan}\left(\mathrm{2}{x}−\frac{\mathrm{1}}{{x}}\right) \\ $$$${find}\:{f}^{\left({n}\right)} \left({x}\right)\:{andf}^{\left({n}\right)} \left(\mathrm{1}\right) \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 02/Mar/20
$${we}\:{have}\:{f}^{'} \left({x}\right)=\frac{\mathrm{2}+\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} }}{\mathrm{1}+\left(\mathrm{2}{x}−\frac{\mathrm{1}}{{x}}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\frac{\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} \left\{\mathrm{1}+\frac{\left(\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }{{x}^{\mathrm{2}} }\right\}} \\ $$$$=\frac{\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\left(\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:=\frac{\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{4}{x}^{\mathrm{4}} −\mathrm{4}{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}\:=\frac{\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}{\mathrm{4}{x}^{\mathrm{4}} −\mathrm{3}{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}} \\ $$$$\mathrm{4}{x}^{\mathrm{4}} −\mathrm{3}{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}=\mathrm{0}\:\rightarrow\mathrm{4}{t}^{\mathrm{2}} −\mathrm{3}{t}\:+\mathrm{1}=\mathrm{0}\:\:\:\left({t}={x}^{\mathrm{2}} \right) \\ $$$$\Delta=\mathrm{9}−\mathrm{16}\:=−\mathrm{7}\:\Rightarrow{t}_{\mathrm{1}} =\frac{\mathrm{3}+{i}\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{8}}\:\:{and}\:{t}_{\mathrm{2}} =\frac{\mathrm{3}−{i}\sqrt{\mathrm{7}}}{\mathrm{8}}\:\Rightarrow \\ $$$${f}^{'} \left({x}\right)=\frac{\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({x}^{\mathrm{2}} −{t}_{\mathrm{1}} \right)\left({x}^{\mathrm{2}} −{t}_{\mathrm{2}} \right)}\:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}\left({t}_{\mathrm{1}} −{t}_{\mathrm{2}} \right)}\left(\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} −{t}_{\mathrm{1}} }−\frac{\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} −{t}_{\mathrm{2}} }\right)\left(\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}\right) \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{{i}\sqrt{\mathrm{7}}}\left\{\:\frac{\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} −{t}_{\mathrm{1}} }−\frac{\mathrm{2}{x}^{\mathrm{2}} \:+\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} −{t}_{\mathrm{2}} }\right\}\:=\frac{\mathrm{1}}{{i}\sqrt{\mathrm{7}}}\left\{\frac{\mathrm{2}\left({x}^{\mathrm{2}} −{t}_{\mathrm{1}} \right)+\mathrm{1}+\mathrm{2}{t}_{\mathrm{1}} }{{x}^{\mathrm{2}} −{t}_{\mathrm{1}} }−\frac{\mathrm{2}\left({x}^{\mathrm{2}} −{t}_{\mathrm{2}} \right)+\mathrm{1}+\mathrm{2}{t}_{\mathrm{2}} }{{x}^{\mathrm{2}} −{t}_{\mathrm{2}} }\right\} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{{i}\sqrt{\mathrm{7}}}\left\{\frac{\mathrm{2}{t}_{\mathrm{1}} +\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} −{t}_{\mathrm{1}} }−\frac{\mathrm{2}{t}_{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{{x}^{\mathrm{2}} −{t}_{\mathrm{2}} }\right\} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{{i}\sqrt{\mathrm{7}}}\left\{\frac{\mathrm{2}{t}_{\mathrm{1}} +\mathrm{1}}{\mathrm{2}\sqrt{{t}_{\mathrm{1}} }}×\left(\frac{\mathrm{1}}{{x}−\sqrt{{t}_{\mathrm{1}} }}−\frac{\mathrm{1}}{{x}+\sqrt{{t}_{\mathrm{1}} }}\right)\:−\frac{\mathrm{2}{t}_{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{\mathrm{2}\sqrt{{t}_{\mathrm{2}} }}\left(\frac{\mathrm{1}}{{x}−\sqrt{{t}_{\mathrm{2}} }}−\frac{\mathrm{1}}{{x}+\sqrt{{t}_{\mathrm{2}} }}\right)\right\}\Rightarrow \\ $$$${f}^{\left({n}\right)} \left({x}\right)\:=\frac{\mathrm{2}{t}_{\mathrm{1}} +\mathrm{1}}{\mathrm{2}{i}\sqrt{\mathrm{7}}\sqrt{{t}_{\mathrm{1}} }}\left\{\:\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} \left({n}−\mathrm{1}\right)!}{\left({x}−\sqrt{{t}_{\mathrm{1}} }\right)^{{n}} }−\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} \left({n}−\mathrm{1}\right)!}{\left({x}+\sqrt{{t}_{\mathrm{1}} }\right)^{{n}} }\right\} \\ $$$$−\frac{\mathrm{2}{t}_{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}{\mathrm{2}{i}\sqrt{\mathrm{7}}\sqrt{{t}_{\mathrm{2}} }}\left\{\:\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} \left({n}−\mathrm{1}\right)!}{\left({x}−\sqrt{{t}_{\mathrm{2}} }\right)^{{n}} }−\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{{n}−\mathrm{1}} \left({n}−\mathrm{1}\right)!}{\left({x}+\sqrt{{t}_{\mathrm{2}} }\right)^{{n}} }\right\}\:\:{be}\:{continued}.. \\ $$$$ \\ $$