題目
Problem
4. Let f(x)=ln(1−x−2x2).
(1) Find the Taylor expansion for f about x=0. (In the form ∑k=0∞akxk with a general formula for ak). (5%)
(2) Find the radius of convergence of the Taylor expansion in Problem(1). (5%)
解答
思路
展開
(1) 第一小題
- 因式分解對數內部多項式:
1−x−2x2=(1−2x)(1+x)
- 利用對數性質拆分:
f(x)=ln(1−2x)+ln(1+x)
- 利用已知泰勒展開式 ln(1+u)=∑n=1∞n(−1)n−1un:
- ln(1+x)=∑k=1∞k(−1)k−1xk。
- ln(1−2x)=−∑k=1∞k(2x)k=∑k=1∞k−2kxk。
- 合併兩級數同類項,可得 ak。
(2) 第二小題
使用比值審斂法(Ratio Test)求收斂半徑。
limk→∞akak+1=limk→∞k−2k+(−1)k−1k+1−2k+1+(−1)k
上下同除以 2k,取極限得 2。故收斂半徑 R=21。
答題過程
展開
(1) 第一小題
將對數函數內之多項式分解:
1−x−2x2=(1−2x)(1+x)
利用對數性質拆開:
f(x)=ln(1−2x)+ln(1+x)
使用標準泰勒展開公式:
ln(1+x)=k=1∑∞k(−1)k−1xk,−1<x≤1
ln(1−2x)=−k=1∑∞k(2x)k=k=1∑∞k−2kxk,−21≤x<21
合併兩者,當 k≥1 時:
f(x)=k=1∑∞k−2k+(−1)k−1xk
且因為 f(0)=ln1=0⟹a0=0。
故展開式之係數一般式為:
a0=0,ak=k−2k+(−1)k−1(k≥1)
(2) 第二小題
利用比值審斂法(Ratio Test)計算收斂半徑 R。對 k≥1 的項:
k→∞limakxkak+1xk+1=k→∞limk−2k+(−1)k−1k+1−2k+1+(−1)k∣x∣
=k→∞limk+1k−2k+(−1)k−1−2k+1+(−1)k∣x∣
分子與分母同除以 2k:
=k→∞limk+1k−1+2k(−1)k−1−2+2k(−1)k∣x∣=1⋅−1−2∣x∣=2∣x∣
為使級數收斂,需滿足:
2∣x∣<1⟹∣x∣<21
故收斂半徑為:
R=21
結論:
(1) 展開式為 f(x)=k=1∑∞k−2k+(−1)k−1xk, ak=k−2k+(−1)k−1 (a0=0)。
(2) 收斂半徑 R=21。