每日一题[2112]递推与递归

设 $f(x)=\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}}\arcsin x$,$n\in\mathbb N^{\ast}$.

1、证明:$(1-x^2)f^{(n+1)}(x)-(2n+1)xf^{(n)}(x)-n^2f^{(n-1)}(x)=0$.

2、求 $f^{(n)}(0)$.

解析

1、根据题意,有\[\begin{split} f^{(1)}(x)&=\dfrac{1}{1-x^2}+\dfrac{x}{(1-x^2)^{\frac 32}}\arcsin x,\\ f^{(2)}(x)&=\dfrac{3x}{(1-x^2)^2}+\dfrac{3x^2}{(1-x^2)^{\frac 52}}\arcsin x+\dfrac{1}{(1-x^2)^{\frac 32}}\arcsin x,\end{split}\]因此当 $n=1$ 时,等式成立. 接下来对 $n$ 进行归纳证明.

若等式对 $n$ 成立,则两边对 $x$ 求导,有\[(1-x^2)f^{(n+2)}(x)-2xf^{(n+1)}(x)-(2n+1)f^{(n)}(x)-(2n+1)xf^{(n+1)}(x)-n^2f^{(n)}(x)=0,\]即\[(1-x^2)f^{(n+2)}(x)-(2n+3)f^{(n+1)}(x)-(n+1)^2f^{(n)}(x)=0,\]因此等式对 $n+1$ 也成立.

综上所述,等式得证.

2、在第 $(1)$ 小题的结果中,令 $x=0$,有\[f^{(n+1)}(0)-n^2f^{(n-1)}(0)=0,\]而 $f^{(0)}(0)=0$;$f^{(1)}(0)=1$,从而\[f^{(n)}(0)=\begin{cases} 0,&n\text{ 为偶数},\\ \big((n-1)!!\big)^2,&n\text{ 为奇数}.\end{cases}\]

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