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111 學年度台聯大微積分 A3/A4/A6 乙部第 1 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A3/A4/A6

111學年度 · 111台聯大微積分A3/A4/A6 · 第 9 題

題目

Problem

  1. Find the Taylor polynomials of orders 2 generated by f(x)={e1/x2,if x00,if x=0f(x) = \begin{cases} e^{-1/x^2}, & \text{if } x \neq 0 \\ 0, & \text{if } x = 0 \end{cases} at a=0a = 0. (12 points)

解答

解法一:導數極限定義法

思路

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  1. 二階泰勒多項式公式為: T2(x)=f(0)+f(0)x+f(0)2!x2T_2(x) = f(0) + f'(0)x + \frac{f''(0)}{2!}x^2
  2. 已知 f(0)=0f(0) = 0
  3. 對於 x0x \neq 0f(x)=2x3e1/x2f'(x) = \frac{2}{x^3}e^{-1/x^2}
  4. 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)f'(x) 代入 x=0x=0,必須使用導數之極限定義式求解 f(0)f'(0)f(0)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+f(0)2!x2T_2(x) = f(0) + f'(0)x + \frac{f''(0)}{2!}x^2

1. 計算 f(0)f'(0)

根據一階導數定義式:

f(0)=limx0f(x)f(0)x0=limx0e1/x20x=limx0e1/x2xf'(0) = \lim_{x\to 0} \frac{f(x) - f(0)}{x - 0} = \lim_{x\to 0} \frac{e^{-1/x^2} - 0}{x} = \lim_{x\to 0} \frac{e^{-1/x^2}}{x}

t=1x    當 x0 時 tt = \frac{1}{|x|} \implies \text{當 } x \to 0 \text{ 時 } t \to \infty

limx0e1/x2x=limttet2\lim_{x\to 0} \left| \frac{e^{-1/x^2}}{x} \right| = \lim_{t\to\infty} \frac{t}{e^{t^2}}

由於指數函數在無窮遠處的增長速度遠大於多項式,可知:

limttet2=0    f(0)=0\lim_{t\to\infty} \frac{t}{e^{t^2}} = 0 \implies f'(0) = 0

2. 計算 f(0)f''(0)

首先寫出當 x0x \neq 0 時的一階導函數:

f(x)=ddx(e1/x2)=e1/x2(2x3)f'(x) = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left( e^{-1/x^2} \right) = e^{-1/x^2} \left( \frac{2}{x^3} \right)

根據二階導數定義式:

f(0)=limx0f(x)f(0)x0=limx02x3e1/x20x=limx02e1/x2x4f''(0) = \lim_{x\to 0} \frac{f'(x) - f'(0)}{x - 0} = \lim_{x\to 0} \frac{\frac{2}{x^3}e^{-1/x^2} - 0}{x} = \lim_{x\to 0} \frac{2 e^{-1/x^2}}{x^4}

t=1x2    當 x0 時 tt = \frac{1}{x^2} \implies \text{當 } x \to 0 \text{ 時 } t \to \infty,上式可改寫為:

limt2t2et\lim_{t\to\infty} \frac{2t^2}{e^t}

tt \to \infty 時為 \frac{\infty}{\infty} 型。連續使用兩次羅必達法則:

limt2t2et=L.H.limt4tet=L.H.limt4et=0    f(0)=0\lim_{t\to\infty} \frac{2t^2}{e^t} \stackrel{\text{L.H.}}{=} \lim_{t\to\infty} \frac{4t}{e^t} \stackrel{\text{L.H.}}{=} \lim_{t\to\infty} \frac{4}{e^t} = 0 \implies f''(0) = 0

3. 寫出 Taylor 多項式

f(0)=0,f(0)=0,f(0)=0f(0) = 0, f'(0) = 0, f''(0) = 0 代入:

T2(x)=0+0x+02x2=0T_2(x) = 0 + 0 \cdot x + \frac{0}{2} x^2 = \boxed{0}