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/ NetNews Usenet Archive 1992 #20 / NN_1992_20.iso / spool / sci / math / 11245 < prev    next >
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Internet Message Format  |  1992-09-10  |  3.5 KB

  1. Path: sparky!uunet!mcsun!uknet!pavo.csi.cam.ac.uk!camcus!gjm11
  2. From: gjm11@cus.cam.ac.uk (G.J. McCaughan)
  3. Newsgroups: sci.math
  4. Subject: Re: D^k f^n ?
  5. Keywords: differentiation, combinatorics
  6. Message-ID: <1992Sep11.011837.1778@infodev.cam.ac.uk>
  7. Date: 11 Sep 92 01:18:37 GMT
  8. References: <1992Sep10.172604.6358@jarvis.csri.toronto.edu>
  9. Sender: news@infodev.cam.ac.uk (USENET news)
  10. Organization: U of Cambridge, England
  11. Lines: 67
  12. Nntp-Posting-Host: apus.cus.cam.ac.uk
  13.  
  14. In article <1992Sep10.172604.6358@jarvis.csri.toronto.edu>, frank@csri.toronto.edu (Frank Kschischang) writes:
  15.  
  16. > Let f(x) denote some function of x.  Let D=d/dx denote the
  17. > operation of differentiation with respect to x.
  18. > Question:
  19. > Has anybody ever worked out a formula for D^k f^n, the
  20. > k'th derivative of the n'th power of f(x) with respect to x?
  21. > Here `n' is a positive integer, and D^k f is assumed to
  22. > exist for all positive k.
  23.  
  24. Here's a really daft solution. (The *answer* is the same as you'd get any
  25. other way, but the way of getting it is quite strange.)
  26. Suppose, for the moment, that we're only interested in evaluating this
  27. at x=0, and that f has a Taylor series expansion about the origin.
  28. Then   f(x) = f(0) + f'(0)/1!.x + f''(0)/2!.x^2 + ...
  29. so [f(x)]^n = [f(0) + f'(0)/1!.x + f''(0)/2!.x^2 + ...]^n
  30.             = a_0 + a_1/1!.x + a_2/2!.x^2 + ..., say
  31.                                           (I'll calculate the a_i in a moment)
  32. so the k'th derivative of this at 0 is just a_k.
  33.  
  34. When we've found the a_k, note that this gives us D^k f^n (0) in terms of the
  35. f^r(0). And of course, if f has a Taylor series everywhere (say, if f is
  36. analytic) then that gives us D^k f^n in terms of the f^r, because there's
  37. nothing special about 0.
  38. The identities we get from this will then be *universally* valid; there are
  39. lots of ways to prove this; we could just prove the results we got by induction
  40. on k, or if you prefer a more highbrow approach note that the analytic functions
  41. are dense in the infinitely differentiable functions (indeed, the polynomials
  42. are dense in the continuous functions!). (That's not actually quite enough;
  43. we need to approximate a function AND some of its derivatives by an analytic
  44. function. This can be done too.)
  45.  
  46. Right, I'd better evalate a_k then. It's just a matter of applying the
  47. multinomial theorem, and we get
  48.  a_k = sum over (r_0,r_1,...) where r_1 + 2r_2 + 3r_3+... = k
  49.                                     r_0 + r_1 + r_2 + ... = n of:
  50.  
  51.          n!             k!          r_0     r_1      r_2    (s)   r_s
  52.     -----------  -------------  f(0)   f'(0)   f''(0)   ...f  (0)     
  53.     r_0!r_1!...    r_0  r_1
  54.                  0!   1!   ...
  55.  
  56. ... I suggest you write that down for yourself; it'll be much clearer.
  57. If you're happy with multinomial coefficients, what this says is: the
  58. coefficient of [sum of (D^i f)^r_i] is the product of
  59.    n choose r_0, r_1, r_2,...   and
  60.    k choose 0 [r_0 times], 1 [r_1 times], 2 [r_2 times], ...
  61.  
  62. So a typical case is n=3,k=4 (we want D^4 f^3). The tuples of r's that
  63. we want are: 20001
  64.              1101
  65.              102
  66.              021
  67. and these give coefficients of 3, 24, 18, 36 respectively. (You'll need
  68. pencil and paper to check this.)
  69. In other words, 
  70.   / 3\''''         2                               2        2
  71.   \f /     = 3 f f'''' + 24 f f' f''' + 18 f f''  + 36 f' f''
  72.  
  73. and this agrees with what I get on doing the differentiation by hand.
  74. It's pretty nasty however you do it, though!
  75.  
  76. -- 
  77. Gareth McCaughan     Dept. of Pure Mathematics & Mathematical Statistics,
  78. gjm11@cus.cam.ac.uk  Cambridge University, England.    [Research student]
  79.