題目
Problem
- Find the Taylor polynomials of orders 2 generated by f(x)={e−1/x2,0,if x=0if x=0 at a=0. (12 points)
解答
解法一:導數極限定義法
思路
展開
- 二階泰勒多項式公式為:
T2(x)=f(0)+f′(0)x+2!f′′(0)x2
- 已知 f(0)=0。
- 對於 x=0, f′(x)=x32e−1/x2。
- 由於此函數在原點為非解析函數的經典反例,我們不能直接對 f′(x) 代入 x=0,必須使用導數之極限定義式求解 f′(0) 與 f′′(0)。
答題過程
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二階泰勒多項式定義為:
T2(x)=f(0)+f′(0)x+2!f′′(0)x2
1. 計算 f′(0)
根據一階導數定義式:
f′(0)=x→0limx−0f(x)−f(0)=x→0limxe−1/x2−0=x→0limxe−1/x2
令 t=∣x∣1⟹當 x→0 時 t→∞:
x→0limxe−1/x2=t→∞limet2t
由於指數函數在無窮遠處的增長速度遠大於多項式,可知:
t→∞limet2t=0⟹f′(0)=0
2. 計算 f′′(0)
首先寫出當 x=0 時的一階導函數:
f′(x)=dxd(e−1/x2)=e−1/x2(x32)
根據二階導數定義式:
f′′(0)=x→0limx−0f′(x)−f′(0)=x→0limxx32e−1/x2−0=x→0limx42e−1/x2
令 t=x21⟹當 x→0 時 t→∞,上式可改寫為:
t→∞limet2t2
當 t→∞ 時為 ∞∞ 型。連續使用兩次羅必達法則:
t→∞limet2t2=L.H.t→∞limet4t=L.H.t→∞limet4=0⟹f′′(0)=0
3. 寫出 Taylor 多項式
將 f(0)=0,f′(0)=0,f′′(0)=0 代入:
T2(x)=0+0⋅x+20x2=0