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113 台大微積分(B) 第 2 題

考題 / 轉學考微積分 / 台大 / 微積分(B)

113學年度 · 113微積分(B) · 第 2 題

題目

Problem

  1. (b) The 3rd degree Taylor polynomial of (1+3x)e(1 + 3x)^e at x=0x = 0 is (2)\underline{\quad(2)\quad} .

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求函數 g(x)=(1+3x)eg(x) = (1+3x)^ex=0x=0 處的三階泰勒多項式(即三階麥克勞林多項式 T3(x)T_3(x))。
  2. 第一步:寫出通用麥克勞林展開式公式T3(x)=g(0)+g(0)x+g(0)2!x2+g(0)3!x3T_3(x) = g(0) + g'(0)x + \frac{g''(0)}{2!}x^2 + \frac{g'''(0)}{3!}x^3
  3. 第二步:利用廣義二項式定理 (Generalized Binomial Theorem) 展開(最速法): 我們知道對於任何實數 α\alpha(1+u)α=1+αu+α(α1)2!u2+α(α1)(α2)3!u3+o(u3)(1+u)^\alpha = 1 + \alpha u + \frac{\alpha(\alpha-1)}{2!}u^2 + \frac{\alpha(\alpha-1)(\alpha-2)}{3!}u^3 + o(u^3) 在此題中,令 u=3xu = 3xα=e\alpha = e
    • 一階項: e(3x)=3exe(3x) = 3ex
    • 二階項: e(e1)2(3x)2=9e(e1)2x2\frac{e(e-1)}{2}(3x)^2 = \frac{9e(e-1)}{2}x^2
    • 三階項: e(e1)(e2)6(3x)3=27e(e1)(e2)6x3=9e(e1)(e2)2x3\frac{e(e-1)(e-2)}{6}(3x)^3 = \frac{27e(e-1)(e-2)}{6}x^3 = \frac{9e(e-1)(e-2)}{2}x^3
  4. 將各項相加即為所求。

答題過程

展開

我們使用廣義二項式定理展開式。對於實數 α\alpha 與自變數 uu,在 u0u \to 0 時有:

(1+u)α=1+αu+α(α1)2!u2+α(α1)(α2)3!u3+o(u3)(1+u)^\alpha = 1 + \alpha u + \frac{\alpha(\alpha-1)}{2!} u^2 + \frac{\alpha(\alpha-1)(\alpha-2)}{3!} u^3 + o(u^3)

我們令 u=3xu = 3xα=e\alpha = e。代入展開式中:

  1. 常數項11
  2. 一次項e(3x)=3exe \cdot (3x) = 3e x
  3. 二次項e(e1)2(3x)2=e(e1)29x2=9e(e1)2x2\frac{e(e-1)}{2} \cdot (3x)^2 = \frac{e(e-1)}{2} \cdot 9x^2 = \frac{9e(e-1)}{2} x^2
  4. 三次項e(e1)(e2)6(3x)3=e(e1)(e2)627x3=9e(e1)(e2)2x3\frac{e(e-1)(e-2)}{6} \cdot (3x)^3 = \frac{e(e-1)(e-2)}{6} \cdot 27x^3 = \frac{9e(e-1)(e-2)}{2} x^3

將以上各項相加,即得到該函數在 x=0x = 0 處的三階泰勒多項式 T3(x)T_3(x)

T3(x)=1+3ex+9e(e1)2x2+9e(e1)(e2)2x3T_3(x) = 1 + 3e x + \frac{9e(e-1)}{2} x^2 + \frac{9e(e-1)(e-2)}{2} x^3

(亦可展開寫成: 1+3ex+(9e29e2)x2+(9e327e2+18e2)x31 + 3ex + \left(\frac{9e^2-9e}{2}\right)x^2 + \left(\frac{9e^3-27e^2+18e}{2}\right)x^3

結論: (2) 填入 1+3ex+9e(e1)2x2+9e(e1)(e2)2x31 + 3e x + \frac{9e(e-1)}{2} x^2 + \frac{9e(e-1)(e-2)}{2} x^3