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112 政治大學微積分 第 6 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分

112學年度 · 112微積分 · 第 6 題

題目

Problem

2. Let f(x)f(x) be a positive function for x0x \ge 0 and M(t)=0etxf(x)dxM(t) = \int_0^\infty e^{tx} f(x) \,\mathrm{d}x. Suppose that the interchange of the differentiation and integration is valid, and M(0)=1, M(0)=0, M(0)=1M(0) = 1, \ M'(0) = 0, \ M''(0) = 1. Show that limn{M(tn)}n=et2/2\lim_{n \to \infty} \left\{ M\left( \frac{t}{\sqrt{n}} \right) \right\}^n = e^{t^2 / 2}. (14%)

解答

解法一:使用麥克勞林級數展開(最嚴謹且直觀)

思路

展開
  1. 本題給出了動差生成函數 M(t)M(t) 的前兩階導數在原點的值,要求一類特殊的極限。
  2. 由於 M(t)M(t)t=0t=0 處可微(且具有二階連續導數),我們可以在 t=0t=0 附近對其進行泰勒(麥克勞林)級數展開M(u)=M(0)+M(0)u+M(0)2!u2+o(u2)M(u) = M(0) + M'(0)u + \frac{M''(0)}{2!}u^2 + o(u^2)
  3. 第一步:寫出 M(u)M(u) 的泰勒展開
    • 代入已知條件 M(0)=1,M(0)=0,M(0)=1M(0)=1, M'(0)=0, M''(0)=1M(u)=1+0u+12u2+o(u2)=1+u22+o(u2)M(u) = 1 + 0 \cdot u + \frac{1}{2}u^2 + o(u^2) = 1 + \frac{u^2}{2} + o(u^2)
  4. 第二步:將 u=tnu = \frac{t}{\sqrt{n}} 代入展開式
    • nn \to \infty 時, u0u \to 0
    • 代入得: M(tn)=1+t22n+o(1n)M\left( \frac{t}{\sqrt{n}} \right) = 1 + \frac{t^2}{2n} + o\left(\frac{1}{n}\right)
  5. 第三步:利用極限重要公式計算 nn 次方極限
    • 由於 limn(1+An+o(1/n))n=eA\lim_{n\to\infty} \left( 1 + \frac{A}{n} + o(1/n) \right)^n = e^Alimn{M(tn)}n=limn(1+t22n+o(1n))n=et2/2\lim_{n\to\infty} \left\{ M\left( \frac{t}{\sqrt{n}} \right) \right\}^n = \lim_{n\to\infty} \left( 1 + \frac{t^2}{2n} + o\left(\frac{1}{n}\right) \right)^n = e^{t^2 / 2}

答題過程

展開

因為 M(t)M(t) 是在 t=0t = 0 的鄰域內無限可微的函數,我們對其在 u=0u = 0 處進行二階泰勒(麥克勞林)多項式展開:

M(u)=M(0)+M(0)u+M(0)2!u2+o(u2)(當 u0)M(u) = M(0) + M'(0)u + \frac{M''(0)}{2!}u^2 + o(u^2) \quad (\text{當 } u \to 0)

其中 o(u2)o(u^2) 代表比 u2u^2 更高階的無窮小量。

我們代入題目給定的已知條件 M(0)=1, M(0)=0, M(0)=1M(0) = 1, \ M'(0) = 0, \ M''(0) = 1

M(u)=1+0u+12u2+o(u2)=1+u22+o(u2)M(u) = 1 + 0 \cdot u + \frac{1}{2} u^2 + o(u^2) = 1 + \frac{u^2}{2} + o(u^2)

現在,我們令 u=tnu = \frac{t}{\sqrt{n}}。當 nn \to \infty 時,顯然有 u0u \to 0。代回泰勒展開式:

M(tn)=1+(tn)22+o((tn)2)=1+t22n+o(1n)M\left( \frac{t}{\sqrt{n}} \right) = 1 + \frac{\left( \frac{t}{\sqrt{n}} \right)^2}{2} + o\left( \left( \frac{t}{\sqrt{n}} \right)^2 \right) = 1 + \frac{t^2}{2n} + o\left( \frac{1}{n} \right)

我們要計算當 nn \to \infty 時的極限:

L=limn{M(tn)}n=limn[1+t22n+o(1n)]nL = \lim_{n \to \infty} \left\{ M\left( \frac{t}{\sqrt{n}} \right) \right\}^n = \lim_{n \to \infty} \left[ 1 + \frac{t^2}{2n} + o\left( \frac{1}{n} \right) \right]^n

我們取自然對數以簡化指數:

lnL=limnnln[1+t22n+o(1n)]\ln L = \lim_{n \to \infty} n \ln \left[ 1 + \frac{t^2}{2n} + o\left( \frac{1}{n} \right) \right]

利用等價無窮小關係,當 v0v \to 0ln(1+v)v\ln(1 + v) \sim v: 在此處 v=t22n+o(1n)0v = \frac{t^2}{2n} + o\left( \frac{1}{n} \right) \to 0

lnL=limnn[t22n+o(1n)]=limn[t22+no(1n)]\ln L = \lim_{n \to \infty} n \left[ \frac{t^2}{2n} + o\left( \frac{1}{n} \right) \right] = \lim_{n \to \infty} \left[ \frac{t^2}{2} + n \cdot o\left( \frac{1}{n} \right) \right]

根據高階無窮小定義, limnno(1n)=0\lim_{n \to \infty} n \cdot o\left( \frac{1}{n} \right) = 0。因此:

lnL=t22\ln L = \frac{t^2}{2}

還原極限值:

L=et2/2L = e^{t^2 / 2}

故得證:

limn{M(tn)}n=et2/2\lim_{n \to \infty} \left\{ M\left( \frac{t}{\sqrt{n}} \right) \right\}^n = e^{t^2 / 2}