Prueba $ \frac{d^n}{dx^n}\ln(x)=\frac{(n-1)!(-1)^{n-1}}{x^n} $ por inducción

Question

Prueba

$$ \frac{d^n}{dx^n}\ln(x)=\frac{(n-1)!(-1)^{n-1}}{x^n} $$

por inducción.

Intento de solución

Caso base

$n=1$

$$ \frac{d}{dx}\ln(x)=\frac{(1-1)!(-1)^{1-1}}{x^{1}}=\frac{1}{x} $$

lo cual es cierto.

Paso de inducción

Hipótesis de inducción: la ecuación es verdadera cuando $n=k$

$$ \frac{d^k}{dx^k}\ln(x)=\frac{(k-1)!(-1)^{k-1}}{x^k} $$

Conjetura de inducción: cuando $n=k+1$

$$ \frac{d^{k+1}}{dx^{k+1}} \ln(x) = \frac{(k+1-1)!(-1)^{k+1-1}}{x^{k+1}} $$

Prueba de la conjetura:

Utilizando la hipótesis de la inducción:

$$ \frac{d^{k+1}}{dx^{k+1}} \ln(x) = \frac{d}{dx} \frac{(k-1)!(-1)^{k-1}}{x^k}$$

$$ =\frac{d}{dx}(k-1)!(-1)^{k-1}x^{-k} $$

$$ = ((k-1)!(-1)^{k-1})(\frac{d}{dx}x^{-k}) $$

$$ = ((k-1)!(-1)^{k-1})(-kx^{-(k+1)})$$

$$ = \frac{ -k(k-1)!(-1)^{k-1} }{ x^{k+1} } $$

No estoy seguro de que esto sea correcto, ya que no se llega al resultado final deseado. que debería ser:

$$= \frac{(k+1-1)!(-1)^{k+1-1}}{x^{k+1}}$$

Answer 1

Supongamos que su afirmación es cierta para $k\geq 1$ entonces

$$\frac{d^{k+1}}{dx^{k+1}}\ln(x)=\frac{d}{dx}\left(\frac{d^{k}}{dx^{k}}\ln(x)\right)=\frac{d}{dx}\left(\frac{(k-1)!(-1)^{k-1}}{x^k}\right)=(k-1)!(-1)^{k-1}\frac{d}{dx}\left(\frac{1}{x^k}\right)=(k-1)!(-1)^{k-1}(-k)x^{-k-1}=\frac{(-k)(k-1)!(-1)^{k-1}}{x^{k+1}}=\frac{k(k-1)!\,\,(-1)(-1)^{k-1}}{x^{k+1}}=\frac{k!\,\,(-1)^{k-1+1}}{x^{k+1}}=\frac{(k+1-1)!\,\,(-1)^{k+1-1}}{x^{k+1}}.$$

Answer 2

Usted llega correctamente a $$ \frac{ -k(k-1)!\,(-1)^{k-1} }{ x^{k+1} } $$ Si se conecta $k+1$ en la fórmula deseada, se obtiene $$ \frac{k!\,(-1)^k}{x^{k+1}} $$ y las dos fórmulas son en realidad la misma: escribir $-k=(-1)k$ Así que $$ -k(k-1)!\,(-1)^{k-1}=k(k-1)!\,(-1)(-1)^{k-1}=k!\,(-1)^k $$ como usted desea.