題目
Problem
Let f(x)=2x−1, and T=∑n=0∞an(x−2)n the Taylor series of f(x) at x=2. What is a100? (10%)
(5) a100=見解答.
解答
解法一
思路
展開
- 本題要求函數 f(x)=x2 在 x=2 處的泰勒級數中, (x−2)100 項的係數 a100。
- 根據泰勒級數公式:
a100=100!f(100)(2)
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。
- 幾何級數代數法:
我們將自變數 x 寫成含有 (x−2) 的形式:
f(x)=x2=2+(x−2)2
分子分母同除以 2 湊成 1−u1 的形式:
f(x)=1−[−2x−2]1
- 利用幾何級數展開公式 1−u1=∑n=0∞un (其中 ∣u∣<1):
f(x)=∑n=0∞(−2x−2)n=∑n=0∞2n(−1)n(x−2)n
- 對照係數,即可直接讀出 an=2n(−1)n。代入 n=100 即可求得結果。
答題過程
展開
我們將函數 f(x)=x2 進行代數整理,將其展開中心平移至 x=2:
f(x)=2+(x−2)2
將分母提取常數 2:
f(x)=2(1+2x−2)2=1−(−2x−2)1
利用幾何級數的標準展開式 1−u1=∑n=0∞un(在 ∣u∣<1 時收斂),這裡令 u=−2x−2:
f(x)=n=0∑∞(−2x−2)n=n=0∑∞2n(−1)n(x−2)n
此時級數收斂的範圍滿足:
−2x−2<1⟹∣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)n 進行對照,可得其一般項係數 an 為:
an=2n(−1)n
要求第 100 項的係數 a100,代入 n=100:
a100=2100(−1)100=21001
結論:
a100=21001。