微积分 · 追问笔记
THE CALCULUS LIFESAVER / 第 26 章

泰勒与幂级数:解题方法

求完整收敛区间,用已知级数构造新级数并计算导数与极限。

5 组核心追问3 组练习原书 pp. 551–574

先修:第 22–25 章

这一章怎么读
  1. 先看问题,暂停一下,用自己的话作答。
  2. 卡住时只展开提示,再阅读推理与公式。
  3. 独立做三组练习;隔一天不看解答重做错题。

建议将一章分成数次学习;以能解释理由、独立做题为进度标准。

本章目录26.1 半径与端点26.2.1 替换变量26.2.2–26.2.3 逐项微积分26.2.4–26.2.6 加减乘除26.3–26.4 导数与高阶极限
追问 01

26.1 半径与端点

比值法给 ∣x−a∣<R\lvert x-a\rvert< R 后,题目完成了吗?

先看一个提示

两个边界恰好落在比值判别无结论的位置。

展开推理与讲解

把 xx 当参数、对下标 nn 求比值或根值极限,得到收敛半径。内部绝对收敛、外部发散;有限半径的两个端点分别代回原级数,使用普通级数判别。半径为零时仅中心收敛,为无穷时所有实数收敛。

L=lim⁡∣an+1/an∣⟹R=1/L(0<L<∞)L=\lim\lvert a_{n+1}/a_n\rvert\Longrightarrow R=1/L\quad(0<L<\infty)
追问 02

26.2.1 替换变量

把几何级数中的 xx 换成 −x2-x^2,范围也跟着变吗?

先看一个提示

原条件要作用在整个新表达式上。

展开推理与讲解

替换内变量时同时替换每一项和收敛条件。1/(1+x2)=∑(−1)nx2n1/(1+x^2)=\sum(-1)^nx^{2n} 的条件来自 ∣−x2∣<1\lvert-x^2\rvert<1。平移中心、缩放变量会改变半径;不能保留原来的范围不动。

11−u=∑n=0∞un (∣u∣<1)\frac1{1-u}=\sum_{n=0}^\infty u^n\ (\lvert u\rvert<1)
追问 03

26.2.2–26.2.3 逐项微积分

无穷多项能否逐项求导、积分?

先看一个提示

对幂级数,在收敛半径内部有专门定理保证。

展开推理与讲解

幂级数在内部可逐项微分和积分,半径不变,但端点敛散性可能改变,需要重查。积分后的常数用已知函数值确定。由几何级数积分可以推导对数和反正切展开,避免重复求很多阶导数。

ln⁡(1+x)=∑n=1∞(−1)n+1xnn (−1<x≤1),arctan⁡x=∑n=0∞(−1)nx2n+12n+1 (∣x∣≤1)\ln(1+x)=\sum_{n=1}^\infty\frac{(-1)^{n+1}x^n}{n}\ (-1<x\le1),\quad\arctan x=\sum_{n=0}^\infty\frac{(-1)^nx^{2n+1}}{2n+1}\ (\lvert x\rvert\le1)
追问 04

26.2.4–26.2.6 加减乘除

两个级数相乘,某一阶系数从哪里来?

先看一个提示

把所有次数之和等于该阶的项配对。

展开推理与讲解

加减先按同一中心、同次幂对齐;乘法按卷积收集系数,在共同绝对收敛区间内可操作;除法在分母常数项非零时用待定系数递推。只需有限阶展开时,高于所需阶的项可舍去,但必须保留能影响目标阶的所有交叉项。

cn=∑k=0nakbn−kc_n=\sum_{k=0}^na_kb_{n-k}
追问 05

26.3–26.4 导数与高阶极限

知道某个系数,如何恢复高阶导数?

先看一个提示

泰勒系数里已经除过阶乘。

展开推理与讲解

中心处 nn 阶导数等于对应系数乘 n!n!。极限题把分子分母展开到首次非零阶,保留足够余项,比较首项系数和阶数。若所有显示项都抵消,说明展开不够深,不是答案自动为零。

f(n)(a)=n!an,Axp+o(xp)Bxp+o(xp)→A/B (B≠0)f^{(n)}(a)=n!a_n,\quad\frac{Ax^p+o(x^p)}{Bx^p+o(x^p)}\to A/B\ (B\ne0)

本章练习 · 先尝试,再揭示

本书没有独立章末习题集。以下明确区分原书例题、正文结论改编及补充自测;页码是印刷页码,链接另标 PDF 页序。延伸问法已在题目或解答中说明。

练习 1 / 3

原书例题重述 · 26.1.2 · 原书 p. 555(PDF 第 580 页)↗

求 ∑n=2∞xn/(nln⁡n)\sum_{n=2}^\infty x^n/(n\ln n) 的完整收敛区间与端点类型。

写下我的思路
提示一 · 从哪里开始

比值极限为 ∣x∣\lvert x\rvert。

提示二 · 关键转折

x=1x=1 用积分判别,x=−1x=-1 用交错判别。

参考解答 · 完成尝试后再展开

半径为 1;内部绝对收敛。x=1x=1 对应 ∑1/(nln⁡n)\sum1/(n\ln n),发散;x=−1x=-1 幅度递减到零,条件收敛。因此收敛区间为 [−1,1)[-1,1)。

练习 2 / 3

原书例题重述 · 26.4 · 原书 p. 571(PDF 第 596 页)↗

求 lim⁡x→0[e−x2+x2cos⁡x−1]/[1−cos⁡(2x3)]\lim_{x\to0}[e^{-x^2}+x^2\cos x-1]/[1-\cos(2x^3)]。

写下我的思路
提示一 · 从哪里开始

低阶项会大量抵消,需要至少保留六阶。

提示二 · 关键转折

分子六阶系数为 −1/6+1/24=−1/8-1/6+1/24=-1/8。

参考解答 · 完成尝试后再展开

分子 =−x6/8+O(x8)=-x^6/8+O(x^8),分母 =2x6+O(x12)=2x^6+O(x^{12}),同除以 x6x^6,极限为 −1/16-1/16。只展开到四阶会看不见关键项。

练习 3 / 3

原书练习重述 · 26.2.6 · 原书 p. 568(PDF 第 593 页)↗

用正弦与余弦级数相除,求 tan⁡x\tan x 到四阶的展开。

写下我的思路
提示一 · 从哪里开始

设 tan⁡x=ax+bx3+O(x5)\tan x=ax+bx^3+O(x^5)。

提示二 · 关键转折

乘回 cos⁡x=1−x2/2+O(x4)\cos x=1-x^2/2+O(x^4),与 sin⁡x\sin x 比较。

参考解答 · 完成尝试后再展开

a=1a=1,b−a/2=−1/6b-a/2=-1/6,得 b=1/3b=1/3。所以 tan⁡x=x+x3/3+O(x5)\tan x=x+x^3/3+O(x^5),二阶、四阶系数因奇对称为零。

学习闭环

过关自查

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