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112 政治大學微積分 第 4 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分

112學年度 · 112微積分 · 第 4 題

題目

Problem

4. Find the Maclaurin series of f(x)=116−x4f(x) = \frac{1}{\sqrt[4]{16 - x}} and the associated radius of convergence. (10%)

解答

解法一:利用二項式級數展開(最速法)

思路

展開
  1. 給定函數 f(x)=(16−x)−1/4f(x) = (16-x)^{-1/4},要求其麥克勞林級數(即在 x=0x=0 處的泰勒級數)與收斂半徑。
  2. 我們可以利用二項式級數 (Binomial Series) 展開公式: (1+u)k=∑n=0∞(kn)un=1+ku+k(k−1)2!u2+⋯(1+u)^k = \sum_{n=0}^\infty \binom{k}{n} u^n = 1 + ku + \frac{k(k-1)}{2!}u^2 + \cdots 該展開式的收斂條件為 ∣u∣<1|u| < 1。
  3. 第一步:將 f(x)f(x) 整理為 (1+u)k(1+u)^k 的標準形式: f(x)=(16−x)−1/4=(16(1−x16))−1/4=16−1/4(1−x16)−1/4=12(1−x16)−1/4f(x) = (16-x)^{-1/4} = \left( 16 \left( 1 - \frac{x}{16} \right) \right)^{-1/4} = 16^{-1/4} \left( 1 - \frac{x}{16} \right)^{-1/4} = \frac{1}{2} \left( 1 - \frac{x}{16} \right)^{-1/4} 此處 k=−1/4k = -1/4, u=−x16u = -\frac{x}{16}。
  4. 第二步:帶入二項式展開公式並化簡一般項:
    • (−1/4n)=(−1/4)(−5/4)⋯(−1/4−n+1)n!=(−1)n⋅1⋅5⋅9⋯(4n−3)4n⋅n!\binom{-1/4}{n} = \frac{(-1/4)(-5/4)\cdots(-1/4-n+1)}{n!} = \frac{(-1)^n \cdot 1 \cdot 5 \cdot 9 \cdots (4n-3)}{4^n \cdot n!}。
    • 代入 un=(−1)n(x16)nu^n = (-1)^n \left(\frac{x}{16}\right)^n 後,負號 (−1)2n=1(-1)^{2n} = 1 被消去。
  5. 第三步:確定收斂半徑:
    • 收斂條件為 ∣u∣<1  ⟹  ∣−x16∣<1  ⟹  ∣x∣<16|u| < 1 \implies \left| -\frac{x}{16} \right| < 1 \implies |x| < 16。
    • 因此收斂半徑為 R=16R = 16。

答題過程

展開

我們先將函數 f(x)f(x) 進行代數整理,提取常數項 1616 以便套用經典的二項式展開式:

f(x)=(16−x)−1/4=[16(1−x16)]−1/4=16−1/4(1−x16)−1/4=12(1−x16)−1/4f(x) = (16 - x)^{-1/4} = \left[ 16 \left( 1 - \frac{x}{16} \right) \right]^{-1/4} = 16^{-1/4} \left( 1 - \frac{x}{16} \right)^{-1/4} = \frac{1}{2} \left( 1 - \frac{x}{16} \right)^{-1/4}

我們引入經典的二項式展開公式。對於任意實數 kk:

(1+u)k=1+ku+k(k−1)2!u2+k(k−1)(k−2)3!u3+⋯=1+∑n=1∞k(k−1)⋯(k−n+1)n!un(1 + u)^k = 1 + ku + \frac{k(k-1)}{2!}u^2 + \frac{k(k-1)(k-2)}{3!}u^3 + \cdots = 1 + \sum_{n=1}^\infty \frac{k(k-1)\cdots(k-n+1)}{n!} u^n

收斂範圍為 ∣u∣<1|u| < 1。

在本題中,我們設定:

  • k=−14k = -\frac{1}{4}
  • u=−x16u = -\frac{x}{16}

我們詳細計算展開式中各項的係數:

  • 第 0 項: 11
  • 第 1 項: k⋅u=(−14)(−x16)=14⋅16x=126xk \cdot u = \left( -\frac{1}{4} \right) \left( -\frac{x}{16} \right) = \frac{1}{4 \cdot 16} x = \frac{1}{2^6} x
  • 第 2 項: k(k−1)2!u2=(−14)(−54)2!(−x16)2=1⋅52!⋅42⋅162x2=52!⋅212x2\frac{k(k-1)}{2!} u^2 = \frac{\left( -\frac{1}{4} \right)\left( -\frac{5}{4} \right)}{2!} \left( -\frac{x}{16} \right)^2 = \frac{1 \cdot 5}{2! \cdot 4^2 \cdot 16^2} x^2 = \frac{5}{2! \cdot 2^{12}} x^2
  • 第 nn 項一般式(對於 n≥1n \ge 1): anxn= (−14)(−54)(−94)⋯(−4n−34)n!(−x16)n= (−1)n⋅1⋅5⋅9⋯(4n−3)4n⋅n!⋅(−1)nxn16n= 1⋅5⋅9⋯(4n−3)n!⋅4n⋅16nxn=1⋅5⋅9⋯(4n−3)n!⋅26nxn\begin{align*} a_n x^n =&\, \frac{\left(-\frac{1}{4}\right)\left(-\frac{5}{4}\right)\left(-\frac{9}{4}\right)\cdots\left(-\frac{4n-3}{4}\right)}{n!} \left(-\frac{x}{16}\right)^n \\[4mm] =&\, \frac{(-1)^n \cdot 1 \cdot 5 \cdot 9 \cdots (4n-3)}{4^n \cdot n!} \cdot (-1)^n \frac{x^n}{16^n} \\[4mm] =&\, \frac{1 \cdot 5 \cdot 9 \cdots (4n-3)}{n! \cdot 4^n \cdot 16^n} x^n = \frac{1 \cdot 5 \cdot 9 \cdots (4n-3)}{n! \cdot 2^{6n}} x^n \end{align*}

因此, f(x)f(x) 的麥克勞林級數表示為:

f(x)=12[1+∑n=1∞1⋅5⋅9⋯(4n−3)n!⋅26nxn]=12+∑n=1∞1⋅5⋅9⋯(4n−3)n!⋅26n+1xnf(x) = \frac{1}{2} \left[ 1 + \sum_{n=1}^\infty \frac{1 \cdot 5 \cdot 9 \cdots (4n-3)}{n! \cdot 2^{6n}} x^n \right] = \frac{1}{2} + \sum_{n=1}^\infty \frac{1 \cdot 5 \cdot 9 \cdots (4n-3)}{n! \cdot 2^{6n+1}} x^n

收斂半徑分析 (Radius of Convergence)

二項式展開式收斂的充要條件是其自變數部分絕對值小於 11:

∣u∣<1  ⟹  ∣−x16∣<1  ⟹  ∣x∣<16|u| < 1 \implies \left| -\frac{x}{16} \right| < 1 \implies |x| < 16

這說明級數在區間 (−16,16)(-16, 16) 上絕對收斂。 因此,其收斂半徑為:

R=16R = 16

結論: 麥克勞林級數為 12+∑n=1∞1⋅5⋅9⋯(4n−3)26n+1⋅n!xn\displaystyle \frac{1}{2} + \sum_{n=1}^\infty \frac{1 \cdot 5 \cdot 9 \cdots (4n-3)}{2^{6n+1} \cdot n!} x^n,收斂半徑為 1616。