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114 台綜大微積分 B 第 5 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分 B

114學年度 · 114微積分B · 第 5 題

題目

Problem

Let f(x)=2x−1f(x) = 2x^{-1}, and T=∑n=0∞an(x−2)nT = \sum_{n=0}^{\infty} a_n(x-2)^n the Taylor series of f(x)f(x) at x=2x=2. What is a100a_{100}? (10%)

(5) a100=見解答‾a_{100} = \underline{\quad\text{見解答}\quad}.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求函數 f(x)=2xf(x) = \frac{2}{x} 在 x=2x=2 處的泰勒級數中, (x−2)100(x-2)^{100} 項的係數 a100a_{100}。
  2. 根據泰勒級數公式: a100=f(100)(2)100!a_{100} = \frac{f^{(100)}(2)}{100!} 我們可以直接求高階導數,或者更快速地藉由代數變形套用幾何級數展開式。
  3. 幾何級數代數法: 我們將自變數 xx 寫成含有 (x−2)(x-2) 的形式: f(x)=2x=22+(x−2)f(x) = \frac{2}{x} = \frac{2}{2 + (x-2)} 分子分母同除以 22 湊成 11−u\frac{1}{1-u} 的形式: f(x)=11−[−x−22]f(x) = \frac{1}{1 - \left[ -\frac{x-2}{2} \right]}
  4. 利用幾何級數展開公式 11−u=∑n=0∞un\frac{1}{1-u} = \sum_{n=0}^{\infty} u^n (其中 ∣u∣<1|u| < 1): f(x)=∑n=0∞(−x−22)n=∑n=0∞(−1)n2n(x−2)nf(x) = \sum_{n=0}^{\infty} \left( -\frac{x-2}{2} \right)^n = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n}{2^n} (x-2)^n
  5. 對照係數,即可直接讀出 an=(−1)n2na_n = \frac{(-1)^n}{2^n}。代入 n=100n=100 即可求得結果。

答題過程

展開

我們將函數 f(x)=2xf(x) = \frac{2}{x} 進行代數整理,將其展開中心平移至 x=2x=2:

f(x)=22+(x−2)f(x) = \frac{2}{2 + (x-2)}

將分母提取常數 22:

f(x)=22(1+x−22)=11−(−x−22)f(x) = \frac{2}{2 \left( 1 + \frac{x-2}{2} \right)} = \frac{1}{1 - \left( -\frac{x-2}{2} \right)}

利用幾何級數的標準展開式 11−u=∑n=0∞un\frac{1}{1-u} = \sum_{n=0}^{\infty} u^n(在 ∣u∣<1|u| < 1 時收斂),這裡令 u=−x−22u = -\frac{x-2}{2}:

f(x)=∑n=0∞(−x−22)n=∑n=0∞(−1)n2n(x−2)nf(x) = \sum_{n=0}^{\infty} \left( -\frac{x-2}{2} \right)^n = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n}{2^n} (x-2)^n

此時級數收斂的範圍滿足:

∣−x−22∣<1  ⟹  ∣x−2∣<2\left| -\frac{x-2}{2} \right| < 1 \implies |x-2| < 2

將求得的展開式與題目給出的泰勒級數 T=∑n=0∞an(x−2)nT = \sum_{n=0}^{\infty} a_n(x-2)^n 進行對照,可得其一般項係數 ana_n 為:

an=(−1)n2na_n = \frac{(-1)^n}{2^n}

要求第 100100 項的係數 a100a_{100},代入 n=100n = 100:

a100=(−1)1002100=12100a_{100} = \frac{(-1)^{100}}{2^{100}} = \frac{1}{2^{100}}

結論: a100=12100a_{100} = \frac{1}{2^{100}}。