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112 台灣大學微積分(C) 第 6 題

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112學年度 · 112台大微積分C · 第 6 題

題目

Problem

6. Use the Maclaurin series of sin(x2)x\frac{\sin(x^2)}{x} to write the integral as the sum of an infinite series.

012sin(x2)xdx=(8).\int_0^{\frac{1}{2}} \frac{\sin(x^2)}{x} \,\mathrm{d}x = \underline{\quad (8) \quad} \,.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求使用麥克勞林級數(Maclaurin Series)來將定積分寫為無窮級數之和。
  2. 第一步:寫出正弦函數 sinu\sin u 的麥克勞林展開式sinu=n=0(1)nu2n+1(2n+1)!\sin u = \sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n u^{2n+1}}{(2n+1)!}
  3. 第二步:令 u=x2u = x^2 代入以求出 sin(x2)\sin(x^2) 的展開式sin(x2)=n=0(1)n(x2)2n+1(2n+1)!=n=0(1)nx4n+2(2n+1)!\sin(x^2) = \sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n (x^2)^{2n+1}}{(2n+1)!} = \sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n x^{4n+2}}{(2n+1)!}
  4. 第三步:同除以 xx 得到被積函數的麥克勞林展開sin(x2)x=n=0(1)nx4n+1(2n+1)!\frac{\sin(x^2)}{x} = \sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n x^{4n+1}}{(2n+1)!}
  5. 第四步:逐項進行積分以求得定積分的級數表示01/2sin(x2)xdx=n=0(1)n(2n+1)![x4n+24n+2]01/2=n=0(1)n(2n+1)!(4n+2)(12)4k+2\int_0^{1/2} \frac{\sin(x^2)}{x} \,\mathrm{d}x = \sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{(2n+1)!} \left[ \frac{x^{4n+2}}{4n+2} \right]_0^{1/2} = \sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{(2n+1)!(4n+2)} \left(\frac{1}{2}\right)^{4k+2}

答題過程

展開

我們首先利用正弦函數 sinu\sin u 的經典麥克勞林級數展開式:

sinu=n=0(1)n(2n+1)!u2n+1\sin u = \sum_{n = 0}^\infty \frac{(-1)^n}{(2n + 1)!} u^{2n + 1}

我們將 u=x2u = x^2 代入,求得 sin(x2)\sin\left(x^2\right) 的級數展開:

sin(x2)=n=0(1)n(2n+1)!(x2)2n+1=n=0(1)n(2n+1)!x4n+2\sin\left(x^2\right) = \sum_{n = 0}^\infty \frac{(-1)^n}{(2n + 1)!} \left(x^2\right)^{2n + 1} = \sum_{n = 0}^\infty \frac{(-1)^n}{(2n + 1)!} x^{4n + 2}

將其除以 xx,得到被積函數的麥克勞林展開式(適用於所有 x0x \neq 0):

sin(x2)x=n=0(1)n(2n+1)!x4n+1\frac{\sin\left(x^2\right)}{x} = \sum_{n = 0}^\infty \frac{(-1)^n}{(2n + 1)!} x^{4n + 1}

由於冪級數在其收斂半徑內可以逐項積分,我們在區間 [0,12]\left[ 0, \frac{1}{2} \right] 上進行逐項定積分:

012sin(x2)xdx=012(n=0(1)n(2n+1)!x4n+1)dx=n=0(1)n(2n+1)!(012x4n+1dx)=n=0(1)n(2n+1)![x4n+24n+2]012=n=0(1)n(2n+1)!(4n+2)(12)4n+2\begin{align*} \int_0^{\frac{1}{2}} \frac{\sin\left(x^2\right)}{x} \,\mathrm{d}x =&\, \int_0^{\frac{1}{2}} \left( \sum_{n = 0}^\infty \frac{(-1)^n}{(2n + 1)!} x^{4n + 1} \right) \mathrm{d}x \\[4mm] =&\, \sum_{n = 0}^\infty \frac{(-1)^n}{(2n + 1)!} \left( \int_0^{\frac{1}{2}} x^{4n + 1} \,\mathrm{d}x \right) \\[4mm] =&\, \sum_{n = 0}^\infty \frac{(-1)^n}{(2n + 1)!} \left[ \frac{x^{4n + 2}}{4n + 2} \right]_0^{\frac{1}{2}} \\[4mm] =&\, \sum_{n = 0}^\infty \frac{(-1)^n}{(2n + 1)!(4n + 2)} \left( \frac{1}{2} \right)^{4n + 2} \end{align*}

結論: (8) 處應填入 n=0(1)n(2n+1)!(4n+2)(12)4n+2\displaystyle \sum_{n = 0}^\infty \frac{(-1)^n}{(2n + 1)!(4n + 2)} \left( \frac{1}{2} \right)^{4n + 2}(或表示為 n=0(1)n(2n+1)!(4n+2)24n+2\displaystyle \sum_{n = 0}^\infty \frac{(-1)^n}{(2n + 1)!(4n + 2) 2^{4n+2}})。