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111 學年度台綜大微積分 C 第 4 題

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111學年度 · 111台綜大微積分C · 第 4 題

題目

Problem

4. Let f(x)=ln(1x2x2)f(x) = \ln(1 - x - 2x^2).

(1) Find the Taylor expansion for ff about x=0x = 0. (In the form k=0akxk\sum_{k=0}^\infty a_k x^k with a general formula for aka_k). (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

  1. 因式分解對數內部多項式: 1x2x2=(12x)(1+x)1 - x - 2x^2 = (1-2x)(1+x)
  2. 利用對數性質拆分: f(x)=ln(12x)+ln(1+x)f(x) = \ln(1-2x) + \ln(1+x)
  3. 利用已知泰勒展開式 ln(1+u)=n=1(1)n1nun\ln(1+u) = \sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^{n-1}}{n} u^n
    • ln(1+x)=k=1(1)k1kxk\ln(1+x) = \sum_{k=1}^\infty \frac{(-1)^{k-1}}{k} x^k
    • ln(12x)=k=1(2x)kk=k=12kkxk\ln(1-2x) = -\sum_{k=1}^\infty \frac{(2x)^k}{k} = \sum_{k=1}^\infty \frac{-2^k}{k} x^k
  4. 合併兩級數同類項,可得 aka_k

(2) 第二小題

使用比值審斂法(Ratio Test)求收斂半徑。 limkak+1ak=limk2k+1+(1)kk+12k+(1)k1k\lim_{k\to\infty} \left| \frac{a_{k+1}}{a_k} \right| = \lim_{k\to\infty} \left| \frac{\frac{-2^{k+1}+(-1)^k}{k+1}}{\frac{-2^k+(-1)^{k-1}}{k}} \right| 上下同除以 2k2^k,取極限得 2。故收斂半徑 R=12R = \frac{1}{2}

答題過程

展開

(1) 第一小題

將對數函數內之多項式分解:

1x2x2=(12x)(1+x)1 - x - 2x^2 = (1 - 2x)(1 + x)

利用對數性質拆開:

f(x)=ln(12x)+ln(1+x)f(x) = \ln(1 - 2x) + \ln(1 + x)

使用標準泰勒展開公式:

ln(1+x)=k=1(1)k1kxk,1<x1\ln(1 + x) = \sum_{k=1}^\infty \frac{(-1)^{k-1}}{k} x^k, \quad -1 < x \le 1 ln(12x)=k=1(2x)kk=k=12kkxk,12x<12\ln(1 - 2x) = -\sum_{k=1}^\infty \frac{(2x)^k}{k} = \sum_{k=1}^\infty \frac{-2^k}{k} x^k, \quad -\frac{1}{2} \le x < \frac{1}{2}

合併兩者,當 k1k \ge 1 時:

f(x)=k=12k+(1)k1kxkf(x) = \sum_{k=1}^\infty \frac{-2^k + (-1)^{k-1}}{k} x^k

且因為 f(0)=ln1=0    a0=0f(0) = \ln 1 = 0 \implies a_0 = 0

故展開式之係數一般式為:

a0=0,ak=2k+(1)k1k(k1)a_0 = 0, \quad a_k = \frac{-2^k + (-1)^{k-1}}{k} \quad (k \ge 1)

(2) 第二小題

利用比值審斂法(Ratio Test)計算收斂半徑 RR。對 k1k \ge 1 的項:

limkak+1xk+1akxk=limk2k+1+(1)kk+12k+(1)k1kx\lim_{k\to\infty} \left| \frac{a_{k+1} x^{k+1}}{a_k x^k} \right| = \lim_{k\to\infty} \left| \frac{\frac{-2^{k+1} + (-1)^k}{k+1}}{\frac{-2^k + (-1)^{k-1}}{k}} \right| |x| =limkkk+12k+1+(1)k2k+(1)k1x= \lim_{k\to\infty} \frac{k}{k+1} \left| \frac{-2^{k+1} + (-1)^k}{-2^k + (-1)^{k-1}} \right| |x|

分子與分母同除以 2k2^k

=limkkk+12+(1)k2k1+(1)k12kx=121x=2x= \lim_{k\to\infty} \frac{k}{k+1} \left| \frac{-2 + \frac{(-1)^k}{2^k}}{-1 + \frac{(-1)^{k-1}}{2^k}} \right| |x| = 1 \cdot \left| \frac{-2}{-1} \right| |x| = 2|x|

為使級數收斂,需滿足:

2x<1    x<122|x| < 1 \implies |x| < \frac{1}{2}

故收斂半徑為:

R=12R = \frac{1}{2}

結論: (1) 展開式為 f(x)=k=12k+(1)k1kxk\displaystyle f(x) = \sum_{k=1}^\infty \frac{-2^k + (-1)^{k-1}}{k} x^kak=2k+(1)k1ka_k = \displaystyle \frac{-2^k + (-1)^{k-1}}{k} (a0=0a_0=0)。 (2) 收斂半徑 R=12R = \displaystyle \frac{1}{2}