題目
Problem
6. Use the Maclaurin series of xsin(x2) to write the integral as the sum of an infinite series.
∫021xsin(x2)dx=(8).
解答
解法一
思路
展開
- 本題要求使用麥克勞林級數(Maclaurin Series)來將定積分寫為無窮級數之和。
- 第一步:寫出正弦函數 sinu 的麥克勞林展開式:
sinu=∑n=0∞(2n+1)!(−1)nu2n+1
- 第二步:令 u=x2 代入以求出 sin(x2) 的展開式:
sin(x2)=∑n=0∞(2n+1)!(−1)n(x2)2n+1=∑n=0∞(2n+1)!(−1)nx4n+2
- 第三步:同除以 x 得到被積函數的麥克勞林展開:
xsin(x2)=∑n=0∞(2n+1)!(−1)nx4n+1
- 第四步:逐項進行積分以求得定積分的級數表示:
∫01/2xsin(x2)dx=∑n=0∞(2n+1)!(−1)n[4n+2x4n+2]01/2=∑n=0∞(2n+1)!(4n+2)(−1)n(21)4k+2
答題過程
展開
我們首先利用正弦函數 sinu 的經典麥克勞林級數展開式:
sinu=n=0∑∞(2n+1)!(−1)nu2n+1
我們將 u=x2 代入,求得 sin(x2) 的級數展開:
sin(x2)=n=0∑∞(2n+1)!(−1)n(x2)2n+1=n=0∑∞(2n+1)!(−1)nx4n+2
將其除以 x,得到被積函數的麥克勞林展開式(適用於所有 x=0):
xsin(x2)=n=0∑∞(2n+1)!(−1)nx4n+1
由於冪級數在其收斂半徑內可以逐項積分,我們在區間 [0,21] 上進行逐項定積分:
∫021xsin(x2)dx====∫021(n=0∑∞(2n+1)!(−1)nx4n+1)dxn=0∑∞(2n+1)!(−1)n(∫021x4n+1dx)n=0∑∞(2n+1)!(−1)n[4n+2x4n+2]021n=0∑∞(2n+1)!(4n+2)(−1)n(21)4n+2
結論:
(8) 處應填入 n=0∑∞(2n+1)!(4n+2)(−1)n(21)4n+2(或表示為 n=0∑∞(2n+1)!(4n+2)24n+2(−1)n)。