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114 台聯大微積分 A2 計算第 1 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 9 題

題目

Problem

Find the Taylor series of the function

f(x)=x3+2xf(x) = \frac{x}{3+2x}

centered at a=0a=0, and determine its radius of convergence.

(9) 見解答\underline{\quad\text{見解答}\quad}.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求找出 f(x)=x3+2xf(x) = \frac{x}{3+2x}a=0a=0 為中心(即麥克勞林級數 Maclaurin Series)的泰勒展開式,並求其收斂半徑。
  2. 看到有理分式 AB+Cx\frac{A}{B+Cx},我們直覺會聯想到最基本的幾何級數(等比級數)展開式: 11u=n=0un=1+u+u2+u3+\frac{1}{1 - u} = \sum_{n=0}^{\infty} u^n = 1 + u + u^2 + u^3 + \cdots 其收斂條件為 u<1|u| < 1
  3. 我們可以將原函數進行代數變形,使其湊出上述幾何級數的骨架: f(x)=x13+2x=x311(23x)f(x) = x \cdot \frac{1}{3 + 2x} = \frac{x}{3} \cdot \frac{1}{1 - \left(-\frac{2}{3}x\right)}
  4. u=23xu = -\frac{2}{3}x,套用幾何級數展開公式即可。
  5. 收斂半徑則由收斂條件 u<1    23x<1|u| < 1 \implies \left|-\frac{2}{3}x\right| < 1 解出 x<R|x| < R 中的 RR

答題過程

展開

首先,我們將函數 f(x)f(x) 進行代數整理,將分母提取常數 33,以湊出幾何級數 11u\frac{1}{1-u} 的標準形式:

f(x)=x3+2x=x13(1+23x)=x311(23x)\begin{align*} f(x) =&\, \frac{x}{3+2x} \\[4mm] =&\, x \cdot \frac{1}{3 \left(1 + \frac{2}{3}x\right)} \\[4mm] =&\, \frac{x}{3} \cdot \frac{1}{1 - \left( -\frac{2}{3}x \right)} \end{align*}

已知幾何級數的展開式為:

11u=n=0un,條件為 u<1\begin{align*} \frac{1}{1 - u} =&\, \sum_{n=0}^{\infty} u^n, \quad \text{條件為 } |u| < 1 \end{align*}

我們令 u=23xu = -\frac{2}{3}x 代入展開式中:

f(x)=x3n=0(23x)n=x3n=0(1)n(23)nxn=n=0(1)n2n3n+1xn+1\begin{align*} f(x) =&\, \frac{x}{3} \sum_{n=0}^{\infty} \left( -\frac{2}{3}x \right)^n \\[4mm] =&\, \frac{x}{3} \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \left(\frac{2}{3}\right)^n x^n \\[4mm] =&\, \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n 2^n}{3^{n+1}} x^{n+1} \end{align*}

這就是 f(x)f(x)a=0a=0 處的泰勒級數。我們也可以寫成展開的前幾項形式:

f(x)=13x29x2+427x3881x4+\begin{align*} f(x) = \frac{1}{3}x - \frac{2}{9}x^2 + \frac{4}{27}x^3 - \frac{8}{81}x^4 + \cdots \end{align*}

確定收斂半徑:

此幾何級數的收斂條件為 u<1|u| < 1,即:

23x<123x<1x<32\begin{align*} \left| -\frac{2}{3}x \right| <&\, 1 \\[4mm] \frac{2}{3}|x| <&\, 1 \\[4mm] |x| <&\, \frac{3}{2} \end{align*}

因此,該冪級數的收斂區間為 (32,32)\left( -\frac{3}{2}, \frac{3}{2} \right),收斂半徑(Radius of convergence)為:

R=32R = \frac{3}{2}

結論:

  • 泰勒級數為 n=0(1)n2n3n+1xn+1\displaystyle \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n 2^n}{3^{n+1}} x^{n+1}
  • 收斂半徑為 32\displaystyle \frac{3}{2}