Question Number 126179 by mathmax by abdo last updated on 17/Dec/20
$$\mathrm{let}\:\mathrm{f}\left(\mathrm{x}\right)=\:\mathrm{e}^{−\mathrm{2x}} \:\mathrm{actan}\:\left(\mathrm{3x}+\mathrm{1}\right) \\ $$$$\left.\mathrm{1}\right)\mathrm{calculste}\:\mathrm{f}^{\left(\mathrm{n}\right)} \left(\mathrm{x}\right)\:\mathrm{and}\:\mathrm{f}^{\left(\mathrm{n}\right)} \left(\mathrm{0}\right) \\ $$$$\left.\mathrm{2}\right)\:\mathrm{if}\:\mathrm{f}\left(\mathrm{x}\right)=\Sigma\:\mathrm{a}_{\mathrm{n}} \mathrm{x}^{\mathrm{n}} \:\mathrm{determine}\:\mathrm{the}\:\mathrm{sequence}\:\mathrm{a}_{\mathrm{n}} \\ $$$$\left.\mathrm{3}\right)\:\mathrm{calculate}\:\int_{\mathrm{0}} ^{\infty} \:\mathrm{f}\left(\mathrm{x}\right)\mathrm{dx} \\ $$
Answered by mathmax by abdo last updated on 19/Dec/20
$$\left.\mathrm{1}\right)\:\mathrm{by}\:\mathrm{lebniz}\:\mathrm{formulae}\:\mathrm{f}^{\left(\mathrm{n}\right)} \left(\mathrm{x}\right)=\sum_{\mathrm{k}=\mathrm{0}} ^{\mathrm{n}} \:\mathrm{C}_{\mathrm{n}} ^{\mathrm{k}} \:\left(\mathrm{arctan}\left(\mathrm{3x}+\mathrm{1}\right)\right)^{\left(\mathrm{k}\right)} \left(\mathrm{e}^{−\mathrm{2x}} \right)^{\left.\right)\left.\mathrm{n}−\mathrm{k}\right)} \\ $$$$=\mathrm{C}_{\mathrm{n}} ^{\mathrm{o}} \:\:\mathrm{arctan}\left(\mathrm{3x}+\mathrm{1}\right)\left(−\mathrm{2}\right)^{\mathrm{n}} \:\mathrm{e}^{−\mathrm{2x}} \:+\sum_{\mathrm{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{n}} \:\mathrm{C}_{\mathrm{n}} ^{\mathrm{k}} \left(\mathrm{arctan}\left(\mathrm{3x}+\mathrm{1}\right)\right)^{\left(\mathrm{k}\right)} \left(−\mathrm{2}\right)^{\mathrm{n}−\mathrm{k}} \:\mathrm{e}^{−\mathrm{2x}} \\ $$$$\mathrm{let}\:\mathrm{calculate}\:\:\left(\mathrm{arctan}\left(\mathrm{3x}+\mathrm{1}\right)\right)^{\mathrm{k}} \:\:\mathrm{we}\:\mathrm{have} \\ $$$$\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dx}}\left(\mathrm{arctan}\left(\mathrm{3x}+\mathrm{1}\right)\right)=\frac{\mathrm{3}}{\mathrm{1}+\left(\mathrm{3x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} }\:\Rightarrow\left(\mathrm{arctan}\left(\mathrm{3x}+\mathrm{1}\right)\right)^{\left(\mathrm{k}\right)} \:=\mathrm{3}\left(\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{3x}+\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} +\mathrm{1}}\right)^{\left(\mathrm{k}−\mathrm{1}\right)} \\ $$$$=\mathrm{3}\left(\frac{\mathrm{1}}{\left(\mathrm{3x}+\mathrm{1}+\mathrm{i}\right)\left(\mathrm{3x}+\mathrm{1}−\mathrm{i}\right)}\right)^{\left(\mathrm{k}−\mathrm{1}\right)} \:=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\left(\frac{\mathrm{1}}{\left.\mathrm{x}+\frac{\mathrm{1}+\mathrm{i}}{\mathrm{3}}\right)\left(\mathrm{x}+\frac{\mathrm{1}−\mathrm{i}}{\mathrm{3}}\right)}\right)^{\left(\mathrm{k}−\mathrm{1}\right)} \\ $$$$=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}\left(\frac{\mathrm{1}−\mathrm{i}}{\mathrm{3}}−\frac{\mathrm{1}+\mathrm{i}}{\mathrm{3}}\right)}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{x}+\frac{\mathrm{1}+\mathrm{i}}{\mathrm{3}}}−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{x}+\frac{\mathrm{1}−\mathrm{i}}{\mathrm{3}}}\right)^{\left(\mathrm{k}−\mathrm{1}\right)} \\ $$$$=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2i}}\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{x}+\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{3}}\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{4}}} }−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{x}+\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{3}}\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{4}}} }\right)^{\left(\mathrm{k}−\mathrm{1}\right)} \\ $$$$=\frac{\mathrm{i}}{\mathrm{2}}\left\{\:\:\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{k}−\mathrm{1}} \left(\mathrm{k}−\mathrm{1}\right)!}{\left(\mathrm{x}+\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{3}}\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{4}}} \right)^{\mathrm{k}} }−\frac{\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{k}−\mathrm{1}} \left(\mathrm{k}−\mathrm{1}\right)!}{\left(\mathrm{x}+\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{3}}\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{4}}} \right)^{\mathrm{k}} }\right\} \\ $$$$=\frac{\mathrm{i}}{\mathrm{2}}\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{k}−\mathrm{1}} \left(\boldsymbol{\mathrm{k}}−\mathrm{1}\right)!\left\{\:\:\frac{−\mathrm{2i}\:\mathrm{Im}\left(\mathrm{x}+\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{3}}\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{4}}} \right)^{\mathrm{k}} }{\left(\mathrm{x}+\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{3}}\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{4}}} \right)^{\mathrm{k}} \left(\mathrm{x}+\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{3}}\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{4}}} \right)^{\mathrm{k}} }\right\}\:\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{f}^{\left(\mathrm{n}\right)} \left(\mathrm{x}\right)=\left(−\mathrm{2}\right)^{\mathrm{n}} \:\mathrm{e}^{−\mathrm{2x}} \:\mathrm{arctan}\left(\mathrm{3x}+\mathrm{1}\right)+\sum_{\mathrm{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{n}} \:\mathrm{C}_{\mathrm{n}} ^{\mathrm{k}} \:\left(−\mathrm{2}\right)^{\mathrm{n}−\mathrm{k}} \:\mathrm{e}^{−\mathrm{2x}} \left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{k}} \left(\mathrm{k}−\mathrm{1}\right)!×\frac{\mathrm{Im}\left(\mathrm{x}+\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{3}}\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{4}}} \right)^{\mathrm{k}} }{\left(\mathrm{x}+\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{3}}\mathrm{e}^{\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{4}}} \right)^{\mathrm{k}} \left(\mathrm{x}+\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{3}}\mathrm{e}^{−\frac{\mathrm{i}\pi}{\mathrm{4}}} \right)^{\mathrm{k}} } \\ $$$$ \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 19/Dec/20
$$\mathrm{f}^{\left(\mathrm{n}\right)} \left(\mathrm{0}\right)=\left(−\mathrm{2}\right)^{\mathrm{n}} \frac{\pi}{\mathrm{4}}\:+\sum_{\mathrm{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{n}} \:\left(−\mathrm{2}\right)^{\boldsymbol{\mathrm{n}}−\boldsymbol{\mathrm{k}}} \:\boldsymbol{\mathrm{C}}_{\mathrm{n}} ^{\mathrm{k}} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{k}} \left(\mathrm{k}−\mathrm{1}\right)!×\frac{\left(\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{3}}\right)^{\mathrm{k}} \mathrm{sin}\left(\frac{\mathrm{k}\pi}{\mathrm{4}}\right)}{\left(\frac{\sqrt{\mathrm{2}}}{\mathrm{3}}\right)^{\mathrm{k}} } \\ $$$$\mathrm{f}^{\left(\mathrm{n}\right)} \left(\mathrm{0}\right)=\frac{\pi}{\mathrm{4}}\left(−\mathrm{2}\right)^{\mathrm{n}} \:+\sum_{\mathrm{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{n}} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{k}} \left(−\mathrm{2}\right)^{\mathrm{n}−\mathrm{k}} \:\mathrm{C}_{\mathrm{n}} ^{\mathrm{k}} \left(\mathrm{k}−\mathrm{1}\right)!\mathrm{sin}\left(\frac{\mathrm{k}\pi}{\mathrm{4}}\right) \\ $$$$ \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 19/Dec/20
$$\left.\mathrm{2}\right)\:\:\mathrm{f}\left(\mathrm{x}\right)=\Sigma\:\mathrm{a}_{\mathrm{n}} \mathrm{x}^{\mathrm{n}} \:\Rightarrow\mathrm{a}_{\mathrm{n}} =\frac{\mathrm{f}^{\left(\mathrm{n}\right)} \left(\mathrm{0}\right)}{\mathrm{n}!}\:\:\mathrm{and}\:\mathrm{f}^{\left(\mathrm{n}\right)} \left(\mathrm{0}\right)\:\mathrm{is}\:\mathrm{known} \\ $$
Commented by mathmax by abdo last updated on 19/Dec/20
$$\mathrm{sorry}\:\mathrm{f}^{\left(\mathrm{n}\right)} \left(\mathrm{0}\right)\:=\frac{\pi}{\mathrm{4}}\left(−\mathrm{2}\right)^{\mathrm{n}} \:+\sum_{\mathrm{k}=\mathrm{1}} ^{\mathrm{n}} \:\left(−\mathrm{2}\right)^{\mathrm{n}−\mathrm{k}} \:\mathrm{C}_{\mathrm{n}} ^{\mathrm{k}} \:\left(−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{k}} \left(\mathrm{k}−\mathrm{1}\right)!\left(\frac{\mathrm{3}}{\:\sqrt{\mathrm{2}}}\right)^{\mathrm{k}} \:\mathrm{sin}\left(\frac{\mathrm{k}\pi}{\mathrm{4}}\right) \\ $$