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111 台灣大學微積分(C) 第 8 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分C

111學年度 · 111台大微積分C · 第 8 題

題目

Problem

8. Let f(x)=ex3+ex3f(x) = e^{x^3} + e^{-x^3}. (10%)

Find the Taylor Series of f(x)f(x) at x=0x=0. (15)\underline{\quad (15) \quad}

Use the Taylor Series to find the value of f(2022)(0)f^{(2022)}(0). (16)\underline{\quad (16) \quad}

解答

(a)

解法一

思路

展開
  1. 利用已知之基本指數函數麥克勞林級數: eu=k=0ukk!,uRe^u = \sum_{k=0}^\infty \frac{u^k}{k!}, \quad u \in \mathbb{R}
  2. u=x3u = x^3u=x3u = -x^3 代入展開後相加。
  3. 消去所有奇數項,只保留偶數項 k=2nk = 2n

答題過程

展開

寫出 ex3e^{x^3}ex3e^{-x^3} 的展開式:

ex3=k=0(x3)kk!=k=0x3kk!e^{x^3} = \sum_{k=0}^\infty \frac{(x^3)^k}{k!} = \sum_{k=0}^\infty \frac{x^{3k}}{k!} ex3=k=0(x3)kk!=k=0(1)kx3kk!e^{-x^3} = \sum_{k=0}^\infty \frac{(-x^3)^k}{k!} = \sum_{k=0}^\infty (-1)^k \frac{x^{3k}}{k!}

相加後:

f(x)=ex3+ex3=k=0(1+(1)k)x3kk!f(x) = e^{x^3} + e^{-x^3} = \sum_{k=0}^\infty \left( 1 + (-1)^k \right) \frac{x^{3k}}{k!}

kk 為奇數時, 1+(1)k=01 + (-1)^k = 0;當 kk 為偶數(令 k=2nk = 2n)時, 1+(1)k=21 + (-1)^k = 2。 故上式整理為:

f(x)=n=02(2n)!x6n,xRf(x) = \sum_{n=0}^\infty \frac{2}{(2n)!} x^{6n}, \quad x \in \mathbb{R}

故 (15) 處應填入 n=02(2n)!x6n\displaystyle\boxed{\sum_{n=0}^\infty \frac{2}{(2n)!} x^{6n}}


(b)

解法一

思路

展開
  1. 根據泰勒級數的通式定義, xmx^m 的項係數為 f(m)(0)m!\frac{f^{(m)}(0)}{m!}
  2. 我們要找 f(2022)(0)f^{(2022)}(0),即對應 m=2022m = 2022
  3. 比較 (a) 中得到的級數一般項係數:令 6n=2022    n=3376n = 2022 \implies n = 337
  4. 建立係數等式並解出 f(2022)(0)f^{(2022)}(0)

答題過程

展開

泰勒級數展開之通用定義為:

f(x)=m=0f(m)(0)m!xmf(x) = \sum_{m=0}^\infty \frac{f^{(m)}(0)}{m!} x^m

在我們的泰勒級數 n=02(2n)!x6n\displaystyle\sum_{n=0}^\infty \frac{2}{(2n)!} x^{6n} 中,要求 x2022x^{2022} 項的係數。 令 6n=2022    n=3376n = 2022 \implies n = 337。 此時 x2022x^{2022} 項的係數為:

2(2337)!=2674!\frac{2}{(2 \cdot 337)!} = \frac{2}{674!}

由此可得係數等式:

f(2022)(0)2022!=2674!    f(2022)(0)=2(2022!)674!\frac{f^{(2022)}(0)}{2022!} = \frac{2}{674!} \implies f^{(2022)}(0) = \frac{2(2022!)}{674!}

故 (16) 處應填入 2(2022!)674!\displaystyle\boxed{\frac{2(2022!)}{674!}}