題目
Problem
Let
f(x)=∫1x−1e−(t−1)2dt.
(a) Find the Taylor series for e−x2 centered at a=0.
(b) Find the Taylor series for f(x) centered at a=2.
(c) limx→2(x−2)4ln(2x−3)f(x)−arctan(x−2)=(4).
解答
解法一
思路
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- 本題是經典的泰勒級數題組,核心觀念是「利用已知的泰勒級數,透過代換、積分等操作,建構出新函數的級數」。
- 第一小題只需針對我們熟知的 ex 麥克勞林級數,直接將 x 代換成 −x2 即可。
- 第二小題要求 f(x) 的級數,由於 f(x) 帶有積分符號,我們可以先利用微積分基本定理對 f(x) 求導得到 f′(x),找出它與第一小題結果的關聯,最後再逐項積分把 f(x) 給找回來。
- 第三小題出現了複雜的極限。看到分母有 (x−2)4 這種高次方,用羅必達法則求導絕對會生不如死。此時應將函數全部展開成泰勒級數,透過比較最低次項的係數來求出極限。為了避免符號混淆,作變數代換 t=x−2 把它平移到原點,能大幅簡化計算的視覺負擔。
答題過程
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(a) 求 e−x2 的泰勒級數
我們熟知指數函數 ex 在 x=0 的泰勒級數(麥克勞林級數)為:
==ex1+x+2!x2+3!x3k=0∑∞k!xk+⋯
將 x 替換為 −x2,即可得到 e−x2 的級數:
==e−x2k=0∑∞k!(−x2)kk=0∑∞k!(−1)kx2k
(b) 求 f(x) 在 a=2 的泰勒級數
首先,我們利用微積分基本定理對 f(x) 求導。根據連鎖律,上限 x−1 對 x 求導為 1:
===f′(x)dxd(∫1x−1e−(t−1)2dt)e−((x−1)−1)2⋅1e−(x−2)2
利用 (a) 小題的結果,將 x 代換成 (x−2),可以得到 f′(x) 在 a=2 的泰勒級數:
=f′(x)k=0∑∞k!(−1)k(x−2)2k
接著,為了找回 f(x),我們對 f′(x) 從 2 到 x 進行積分。
就是說,因為
∫2xf′(u)du=f(x)−f(2)
所以
f(x)=∫2xf′(u)du+f(2)
注意當 x=2 時,由原定義可知 f(2)=∫11e−(t−1)2dt=0。因此:
====f(x)∫2xf′(u)du+f(2)∫2x(k=0∑∞k!(−1)k(u−2)2k)duk=0∑∞k!(−1)k[2k+1(u−2)2k+1]2xk=0∑∞(2k+1)k!(−1)k(x−2)2k+1
這就是 f(x) 以 a=2 為中心的泰勒級數。
(c) 求極限值
要計算這個極限,我們先作變數代換 t=x−2,那麼當 x→2 時,t→0。
同時,x=t+2,分母對數內部的 2x−3 可以改寫為 2(t+2)−3=2t+1。
原極限式可以改寫為:
=x→2lim(x−2)4ln(2x−3)f(x)−arctan(x−2)t→0limt4ln(1+2t)f(t+2)−arctan(t)
接下來我們將分子與分母各自展開成泰勒級數,只需要列出前幾項即可。
根據 (b) 小題的結論,展開 f(t+2):
===f(t+2)k=0∑∞(2k+1)k!(−1)kt2k+1t−3⋅1!1t3+5⋅2!1t5−⋯t−31t3+101t5−⋯
而 arctan(t) 在原點的泰勒級數為我們熟知的:
=arctan(t)t−31t3+51t5−⋯
將這兩者相減,觀察分子:
===f(t+2)−arctan(t)(t−31t3+101t5−⋯)−(t−31t3+51t5−⋯)(101−51)t5+⋯−101t5+更高次項
接著處理分母,用到 ln(1+u) 的展開式 ln(1+u)=u−2u2+⋯:
==ln(1+2t)(2t)−2(2t)2+⋯2t−2t2+⋯
因此,整個分母為:
==t4ln(1+2t)t4(2t−2t2+⋯)2t5−2t6+⋯
最後,將分子與分母的級數代回極限式中比較最低次項:
==t→0limt4ln(1+2t)f(t+2)−arctan(t)t→0lim2t5+更高次項−101t5+更高次項2−101=−201
經驗總結
計算極限時若遇到 x→a 且式子裡充斥著 (x−a) 的高次方,直接代換 t=x−a 平移到原點是非常好用的技巧!這樣不僅能完美銜接你已經背得滾瓜爛熟的麥克勞林級數(如 arctant、ln(1+t)),在計算係數時也極大程度地避免了眼花撩亂的符號失誤。
解法二
思路
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求帶有積分上限函數的泰勒級數時,除了「先求導再積分」之外,還有一個更直接的方法:直接將被積分函數展開成級數,然後逐項積分。
我們已知 (a) 小題中 e−u2 的展開式,只要令 u=t−1,就能得到被積分函數 e−(t−1)2 的級數。接著將這個級數放回原積分中,從 t=1 積分到 t=x−1。你會發現,積分上限 (x−1) 代入積分結果的 (t−1) 後,剛好會變成 ((x−1)−1)=(x−2),這完美契合了題目要求「centered at a=2」的目標形式!
答題過程
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(b) 求 f(x) 在 a=2 的泰勒級數
根據 (a) 小題的結果,我們知道 e−u2 在 u=0 的泰勒級數為:
=e−u2k=0∑∞k!(−1)ku2k
我們將 u 代換為 t−1,即可得到被積分函數 e−(t−1)2 的展開式:
=e−(t−1)2k=0∑∞k!(−1)k(t−1)2k
接著,將這個級數代回 f(x) 的積分定義中。由於冪級數在其收斂區間內(此處收斂半徑為無窮大)可以逐項積分,我們將積分符號與求和符號交換:
===f(x)∫1x−1e−(t−1)2dt∫1x−1(k=0∑∞k!(−1)k(t−1)2k)dtk=0∑∞k!(−1)k(∫1x−1(t−1)2kdt)
現在,我們只需專注於計算後面的定積分。對 (t−1)2k 積分會得到 2k+1(t−1)2k+1,代入上下限:
====∫1x−1(t−1)2kdt[2k+1(t−1)2k+1]t=1t=x−12k+1((x−1)−1)2k+1−2k+1(1−1)2k+12k+1(x−2)2k+1−02k+1(x−2)2k+1
最後,將計算出來的積分結果代回級數中,即可得到 f(x) 的泰勒級數:
==f(x)k=0∑∞k!(−1)k⋅2k+1(x−2)2k+1k=0∑∞(2k+1)k!(−1)k(x−2)2k+1
這個結果自然地呈現了 (x−2) 的冪次,正是以 a=2 為中心的泰勒級數。
經驗總結
若定義函數的積分上下限,其變數平移的關係(如 t−1 到 x−1)恰巧能湊出目標展開中心(如 x−2),那麼「先將被積分函數展開,再逐項積分」往往會是最快、最不容易出錯的捷徑。