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114 台聯大微積分 A2 第 5 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A2

114學年度 · 114微積分A2 · 第 5 題

題目

Problem

Find the rational number that is represented by the repeating decimal

2.21=2.21212121...=(5).2.\overline{21} = 2.21212121... = \underline{\quad(5)\quad}.

解答

解法一:代數相減法(快速解法)

思路

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  1. 本題要求將循環小數 2.212.\overline{21} 轉換為最簡分數形式。
  2. x=2.21x = 2.\overline{21}。因為循環節的長度是 22 位數(21 循環),我們可以將 xx 乘以 102=10010^{2} = 100 倍,使小數部分完全對齊。
  3. 100x100x 減去 xx,即可消去無窮延伸的循環小數部分,化為簡單的一元一次方程式求出 xx
  4. 最後將分數約分至最簡。

答題過程

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令:

x=2.21=2.21212121x = 2.\overline{21} = 2.21212121\dots

xx 乘以 100100

100x=221.21212121=221.21100x = 221.21212121\dots = 221.\overline{21}

將兩式相減以消去循環部分:

100xx=221.212.2199x=219\begin{align*} 100x - x =&\, 221.\overline{21} - 2.\overline{21} \\[4mm] 99x =&\, 219 \end{align*}

解得 xx

x=21999x = \frac{219}{99}

觀察分子與分母,它們都可以被 33 整除,分子分母同除以 33 進行約分:

x=219÷399÷3=7333\begin{align*} x =&\, \frac{219 \div 3}{99 \div 3} \\[4mm] =&\, \frac{73}{33} \end{align*}

因此,第 (5) 格答案為 \frac{73}{33}


解法二:無窮等比級數求和(微積分標準法)

思路

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  1. 循環小數本質上是一個無窮等比級數
  2. 我們可以將 2.212.\overline{21} 拆解為整數部分與無窮項之和: 2.21=2+21100+2110000+211000000+2.\overline{21} = 2 + \frac{21}{100} + \frac{21}{10000} + \frac{21}{1000000} + \cdots
  3. 其中,從第二項開始是一個首項 a=21100a = \frac{21}{100},公比 r=1100r = \frac{1}{100} 的無窮等比級數。
  4. 利用無窮等比級數求和公式 S=a11/rS = \frac{a}{1-1/r}(當 r<1|r| < 1 時)求出和,再加上整數 22 即可。

答題過程

展開

我們將循環小數寫成求和形式:

2.21=2+0.21+0.0021+0.000021+=2+21102+21104+21106+=2+n=121102n\begin{align*} 2.\overline{21} =&\, 2 + 0.21 + 0.0021 + 0.000021 + \cdots \\[4mm] =&\, 2 + \frac{21}{10^2} + \frac{21}{10^4} + \frac{21}{10^6} + \cdots \\[4mm] =&\, 2 + \sum_{n=1}^{\infty} \frac{21}{10^{2n}} \end{align*}

後方的求和部分為首項 a=21100a = \frac{21}{100},公比 r=1100r = \frac{1}{100} 的無窮等比級數。由於公比 r=1100<1|r| = \frac{1}{100} < 1,此級數收斂,其和為:

S=a1r=2110011100=2110099100=2199=733\begin{align*} S =&\, \frac{a}{1 - r} \\[4mm] =&\, \frac{\frac{21}{100}}{1 - \frac{1}{100}} \\[4mm] =&\, \frac{\frac{21}{100}}{\frac{99}{100}} \\[4mm] =&\, \frac{21}{99} \\[4mm] =&\, \frac{7}{33} \end{align*}

將此結果加回整數部分 22

2.21=2+S=2+733=66+733=7333\begin{align*} 2.\overline{21} =&\, 2 + S \\[4mm] =&\, 2 + \frac{7}{33} \\[4mm] =&\, \frac{66 + 7}{33} \\[4mm] =&\, \frac{73}{33} \end{align*}

因此,第 (5) 格答案為 \frac{73}{33}