Skip to content
CalcGospel 微積分福音
返回

114 台大微積分 B 第 2 題

考題 / 轉學考微積分 / 台大 / 微積分B

114學年度 · 114微積分B · 第 2 題

題目

Problem

Let

f(x)=1x1e(t1)2dt.f(x) = \int_{1}^{x-1} e^{-(t-1)^2} \mathrm{d}t.

(a) Find the Taylor series for ex2e^{-x^2} centered at a=0a=0.
(b) Find the Taylor series for f(x)f(x) centered at a=2a=2.
(c) limx2f(x)arctan(x2)(x2)4ln(2x3)=(4)\lim_{x \to 2} \frac{f(x) - \arctan(x-2)}{(x-2)^4 \ln(2x-3)} = \underline{\quad (4) \quad}.

解答

解法一

思路

展開
  1. 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」。
  2. 第一小題只需針對我們熟知的 exe^x 麥克勞林級數,直接將 xx 代換成 x2-x^2 即可。
  3. 第二小題要求 f(x)f(x) 的級數,由於 f(x)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)f(x) 求導得到 f(x)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)f(x) 給找回來。
  4. 第三小題出現了複雜的極限。看到分母有 (x2)4(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=x2t = 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

展開

(a) 求 ex2e^{-x^2} 的泰勒級數

我們熟知指數函數 exe^xx=0x=0 的泰勒級數(麥克勞林級數)為:

ex=1+x+x22!+x33!=k=0xkk!+\begin{align*} &\, e^x \\[4mm] =&\, 1 + x + \frac{x^2}{2!} + \frac{x^3}{3!}\\[4mm] =&\, \sum_{k=0}^{\infty} \frac{x^k}{k!} + \cdots \end{align*}

xx 替換為 x2-x^2,即可得到 ex2e^{-x^2} 的級數:

ex2=k=0(x2)kk!=k=0(1)kk!x2k\begin{align*} &\, e^{-x^2} \\[4mm] =&\, \sum_{k=0}^{\infty} \frac{(-x^2)^k}{k!} \\[4mm] =&\, \sum_{k=0}^{\infty} \frac{(-1)^k}{k!} x^{2k} \end{align*}

(b) 求 f(x)f(x)a=2a=2 的泰勒級數

首先,我們利用微積分基本定理對 f(x)f(x) 求導。根據連鎖律,上限 x1x-1xx 求導為 11

f(x)=ddx(1x1e(t1)2dt)=e((x1)1)21=e(x2)2\begin{align*} &\, f'(x) \\[4mm] =&\, \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left( \int_{1}^{x-1} e^{-(t-1)^2} \mathrm{d}t \right) \\[4mm] =&\, e^{-((x-1)-1)^2} \cdot 1 \\[4mm] =&\, e^{-(x-2)^2} \end{align*}

利用 (a) 小題的結果,將 xx 代換成 (x2)(x-2),可以得到 f(x)f'(x)a=2a=2 的泰勒級數:

f(x)=k=0(1)kk!(x2)2k\begin{align*} &\, f'(x) \\[4mm] =&\, \sum_{k=0}^{\infty} \frac{(-1)^k}{k!} (x-2)^{2k} \end{align*}

接著,為了找回 f(x)f(x),我們對 f(x)f'(x)22xx 進行積分。

就是說,因為

2xf(u)du=f(x)f(2)\begin{align*} \int_{2}^{x} f'(u) \mathrm{d}u =f(x)-f(2) \end{align*}

所以

f(x)=2xf(u)du+f(2)\begin{align*} f(x) =\int_{2}^{x} f'(u) \mathrm{d}u+f(2) \end{align*}

注意當 x=2x=2 時,由原定義可知 f(2)=11e(t1)2dt=0f(2) = \int_1^1 e^{-(t-1)^2} \mathrm{d}t = 0。因此:

f(x)=2xf(u)du+f(2)=2x(k=0(1)kk!(u2)2k)du=k=0(1)kk![(u2)2k+12k+1]2x=k=0(1)k(2k+1)k!(x2)2k+1\begin{align*} &\, f(x) \\[4mm] =&\, \int_{2}^{x} f'(u) \mathrm{d}u + f(2) \\[4mm] =&\, \int_{2}^{x} \left( \sum_{k=0}^{\infty} \frac{(-1)^k}{k!} (u-2)^{2k} \right) \mathrm{d}u \\[4mm] =&\, \sum_{k=0}^{\infty} \frac{(-1)^k}{k!} \left[ \frac{(u-2)^{2k+1}}{2k+1} \right]_{2}^{x} \\[4mm] =&\, \sum_{k=0}^{\infty} \frac{(-1)^k}{(2k+1)k!} (x-2)^{2k+1} \end{align*}

這就是 f(x)f(x)a=2a=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=x2t = x-2,那麼當 x2x \to 2 時,t0t \to 0。 同時,x=t+2x = t+2,分母對數內部的 2x32x-3 可以改寫為 2(t+2)3=2t+12(t+2)-3 = 2t+1

原極限式可以改寫為:

limx2f(x)arctan(x2)(x2)4ln(2x3)=limt0f(t+2)arctan(t)t4ln(1+2t)\begin{align*} &\, \lim_{x \to 2} \frac{f(x) - \arctan(x-2)}{(x-2)^4 \ln(2x-3)} \\[4mm] =&\, \lim_{t \to 0} \frac{f(t+2) - \arctan(t)}{t^4 \ln(1+2t)} \end{align*}

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)

f(t+2)=k=0(1)k(2k+1)k!t2k+1=t131!t3+152!t5=t13t3+110t5\begin{align*} &\, f(t+2) \\[4mm] =&\, \sum_{k=0}^{\infty} \frac{(-1)^k}{(2k+1)k!} t^{2k+1} \\[4mm] =&\, t - \frac{1}{3 \cdot 1!} t^3 + \frac{1}{5 \cdot 2!} t^5 - \cdots \\[4mm] =&\, t - \frac{1}{3} t^3 + \frac{1}{10} t^5 - \cdots \end{align*}

arctan(t)\arctan(t) 在原點的泰勒級數為我們熟知的:

arctan(t)=t13t3+15t5\begin{align*} &\, \arctan(t) \\[4mm] =&\, t - \frac{1}{3} t^3 + \frac{1}{5} t^5 - \cdots \end{align*}

將這兩者相減,觀察分子:

f(t+2)arctan(t)=(t13t3+110t5)(t13t3+15t5)=(11015)t5+=110t5+更高次項\begin{align*} &\, f(t+2) - \arctan(t) \\[4mm] =&\, \left( t - \frac{1}{3} t^3 + \frac{1}{10} t^5 - \cdots \right) - \left( t - \frac{1}{3} t^3 + \frac{1}{5} t^5 - \cdots \right) \\[4mm] =&\, \left(\frac{1}{10} - \frac{1}{5}\right) t^5 + \cdots \\[4mm] =&\, -\frac{1}{10} t^5 + \text{更高次項} \end{align*}

接著處理分母,用到 ln(1+u)\ln(1+u) 的展開式 ln(1+u)=uu22+\ln(1+u) = u - \frac{u^2}{2} + \cdots

ln(1+2t)=(2t)(2t)22+=2t2t2+\begin{align*} &\, \ln(1+2t) \\[4mm] =&\, (2t) - \frac{(2t)^2}{2} + \cdots \\[4mm] =&\, 2t - 2t^2 + \cdots \end{align*}

因此,整個分母為:

t4ln(1+2t)=t4(2t2t2+)=2t52t6+\begin{align*} &\, t^4 \ln(1+2t) \\[4mm] =&\, t^4 (2t - 2t^2 + \cdots) \\[4mm] =&\, 2t^5 - 2t^6 + \cdots \end{align*}

最後,將分子與分母的級數代回極限式中比較最低次項:

limt0f(t+2)arctan(t)t4ln(1+2t)=limt0110t5+更高次項2t5+更高次項=1102=120\begin{align*} &\, \lim_{t \to 0} \frac{f(t+2) - \arctan(t)}{t^4 \ln(1+2t)} \\[4mm] =&\, \lim_{t \to 0} \frac{-\frac{1}{10} t^5 + \text{更高次項}}{2t^5 + \text{更高次項}} \\[4mm] =&\, \frac{-\frac{1}{10}}{2} = -\frac{1}{20} \end{align*}
經驗總結

計算極限時若遇到 xax \to a 且式子裡充斥著 (xa)(x-a) 的高次方,直接代換 t=xat = 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\arctan tln(1+t)\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

展開

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 eu2e^{-u^2} 的展開式,只要令 u=t1u = t-1,就能得到被積分函數 e(t1)2e^{-(t-1)^2} 的級數。接著將這個級數放回原積分中,從 t=1t=1 積分到 t=x1t=x-1。你會發現,積分上限 (x1)(x-1) 代入積分結果的 (t1)(t-1) 後,剛好會變成 ((x1)1)=(x2)((x-1)-1) = (x-2),這完美契合了題目要求「centered at a=2a=2」的目標形式!

答題過程

展開

(b) 求 f(x)f(x)a=2a=2 的泰勒級數

根據 (a) 小題的結果,我們知道 eu2e^{-u^2}u=0u=0 的泰勒級數為:

eu2=k=0(1)kk!u2k\begin{align*} &\, e^{-u^2} \\[4mm] =&\, \sum_{k=0}^{\infty} \frac{(-1)^k}{k!} u^{2k} \end{align*}

我們將 uu 代換為 t1t-1,即可得到被積分函數 e(t1)2e^{-(t-1)^2} 的展開式:

e(t1)2=k=0(1)kk!(t1)2k\begin{align*} &\, e^{-(t-1)^2} \\[4mm] =&\, \sum_{k=0}^{\infty} \frac{(-1)^k}{k!} (t-1)^{2k} \end{align*}

接著,將這個級數代回 f(x)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)=1x1e(t1)2dt=1x1(k=0(1)kk!(t1)2k)dt=k=0(1)kk!(1x1(t1)2kdt)\begin{align*} &\, f(x) \\[4mm] =&\, \int_{1}^{x-1} e^{-(t-1)^2} \mathrm{d}t \\[4mm] =&\, \int_{1}^{x-1} \left( \sum_{k=0}^{\infty} \frac{(-1)^k}{k!} (t-1)^{2k} \right) \mathrm{d}t \\[4mm] =&\, \sum_{k=0}^{\infty} \frac{(-1)^k}{k!} \left( \int_{1}^{x-1} (t-1)^{2k} \mathrm{d}t \right) \end{align*}

現在,我們只需專注於計算後面的定積分。對 (t1)2k(t-1)^{2k} 積分會得到 (t1)2k+12k+1\frac{(t-1)^{2k+1}}{2k+1},代入上下限:

1x1(t1)2kdt=[(t1)2k+12k+1]t=1t=x1=((x1)1)2k+12k+1(11)2k+12k+1=(x2)2k+12k+10=(x2)2k+12k+1\begin{align*} &\, \int_{1}^{x-1} (t-1)^{2k} \mathrm{d}t \\[4mm] =&\, \left[ \frac{(t-1)^{2k+1}}{2k+1} \right]_{t=1}^{t=x-1} \\[4mm] =&\, \frac{((x-1)-1)^{2k+1}}{2k+1} - \frac{(1-1)^{2k+1}}{2k+1} \\[4mm] =&\, \frac{(x-2)^{2k+1}}{2k+1} - 0 \\[4mm] =&\, \frac{(x-2)^{2k+1}}{2k+1} \end{align*}

最後,將計算出來的積分結果代回級數中,即可得到 f(x)f(x) 的泰勒級數:

f(x)=k=0(1)kk!(x2)2k+12k+1=k=0(1)k(2k+1)k!(x2)2k+1\begin{align*} &\, f(x) \\[4mm] =&\, \sum_{k=0}^{\infty} \frac{(-1)^k}{k!} \cdot \frac{(x-2)^{2k+1}}{2k+1} \\[4mm] =&\, \sum_{k=0}^{\infty} \frac{(-1)^k}{(2k+1)k!} (x-2)^{2k+1} \end{align*}

這個結果自然地呈現了 (x2)(x-2) 的冪次,正是以 a=2a=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 t1t-1x1x-1)恰巧能湊出目標展開中心(如 x2x-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。