題目
Problem
Find the Taylor series of the function
f(x)=3+2xx
centered at a=0, and determine its radius of convergence.
(9) 見解答.
解答
解法一
思路
展開
- 本題要求找出 f(x)=3+2xx 以 a=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。
- 看到有理分式 B+CxA,我們直覺會聯想到最基本的幾何級數(等比級數)展開式:
1−u1=∑n=0∞un=1+u+u2+u3+⋯
其收斂條件為 ∣u∣<1。
- 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)=x⋅3+2x1=3x⋅1−(−32x)1
- 令 u=−32x,套用幾何級數展開公式即可。
- 收斂半徑則由收斂條件 ∣u∣<1⟹−32x<1 解出 ∣x∣<R 中的 R。
答題過程
展開
首先,我們將函數 f(x) 進行代數整理,將分母提取常數 3,以湊出幾何級數 1−u1 的標準形式:
f(x)===3+2xxx⋅3(1+32x)13x⋅1−(−32x)1
已知幾何級數的展開式為:
1−u1=n=0∑∞un,條件為 ∣u∣<1
我們令 u=−32x 代入展開式中:
f(x)===3xn=0∑∞(−32x)n3xn=0∑∞(−1)n(32)nxnn=0∑∞3n+1(−1)n2nxn+1
這就是 f(x) 在 a=0 處的泰勒級數。我們也可以寫成展開的前幾項形式:
f(x)=31x−92x2+274x3−818x4+⋯
確定收斂半徑:
此幾何級數的收斂條件為 ∣u∣<1,即:
−32x<32∣x∣<∣x∣<1123
因此,該冪級數的收斂區間為 (−23,23),收斂半徑(Radius of convergence)為:
R=23
結論:
- 泰勒級數為 n=0∑∞3n+1(−1)n2nxn+1。
- 收斂半徑為 23。