将函数展开为马克劳林级数,以下处理不合适的是(). A. (e^x - 1)/(x) = sum_(n=1)^infty (1)/(n!) x^n-1, |x| > 0B. sin^2 x = (1)/(2)(1 - cos 2x)= (1)/(2) sum_(n=1)^infty (-1)^n-1 (x^2n)/((2n)!), |x| < +inftyC. (1)/(1 - x + x^2) = sum_(n=0)^infty (x - x^2)^n, 0 < x < 1D. (1 - x)/(1 - x^3) = 1 - x + x^3 - x^4 + ... + x^3n - x^3n+1 + ..., |x| < 1
将函数展开为马克劳林级数,以下处理不合适的是().
- A. $\frac{e^x - 1}{x} = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n!} x^{n-1}$, $|x| > 0$
- B. $\sin^2 x = \frac{1}{2}(1 - \cos 2x)= \frac{1}{2} \sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n-1} \frac{x^{2n}}{(2n)!}$, $|x| < +\infty$
- C. $\frac{1}{1 - x + x^2} = \sum_{n=0}^{\infty} (x - x^2)^n$, $0 < x < 1$
- D. $\frac{1 - x}{1 - x^3} = 1 - x + x^3 - x^4 + \cdots + x^{3n} - x^{3n+1} + \cdots$, $|x| < 1$
题目解答
答案
为了确定哪个选项的处理不合适,我们需要分析每个选项中函数的马克劳林级数展开的正确性。
选项 A:
$\frac{e^x - 1}{x} = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n!} x^{n-1}, \quad |x| > 0$
首先, recall $e^x$ 的马克劳林级数:
$e^x = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{x^n}{n!}$
将 $e^x$ 的级数减去 1:
$e^x - 1 = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{x^n}{n!}$
然后除以 $x$:
$\frac{e^x - 1}{x} = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{x^{n-1}}{n!}$
这个级数在 $|x| < \infty$ 时收敛,但选项中写的是 $|x| > 0$。虽然 $x = 0$ 时 $\frac{e^x - 1}{x}$ 有可去间断点,但级数展开的范围应该是 $|x| < \infty$。因此,选项 A 的处理不合适。
选项 B:
$\sin^2 x = \frac{1}{2}(1 - \cos 2x) = \frac{1}{2} \sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n-1} \frac{x^{2n}}{(2n)!}, \quad |x| < +\infty$
首先, recall $\cos x$ 的马克劳林级数:
$\cos x = \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \frac{x^{2n}}{(2n)!}$
将 $\cos x$ 的级数中的 $x$ 替换为 $2x$:
$\cos 2x = \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \frac{(2x)^{2n}}{(2n)!} = \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \frac{4^n x^{2n}}{(2n)!}$
然后计算 $1 - \cos 2x$:
$1 - \cos 2x = 1 - \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \frac{4^n x^{2n}}{(2n)!} = 1 - 1 + \sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n-1} \frac{4^n x^{2n}}{(2n)!} = \sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n-1} \frac{4^n x^{2n}}{(2n)!}$
最后除以 2:
$\sin^2 x = \frac{1}{2} \sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n-1} \frac{4^n x^{2n}}{(2n)!}$
这个级数在 $|x| < +\infty$ 时收敛,选项 B 的处理正确。
选项 C:
$\frac{1}{1 - x + x^2} = \sum_{n=0}^{\infty} (x - x^2)^n, \quad 0 < x < 1$
首先, recall $\frac{1}{1 - t}$ 的马克劳林级数:
$\frac{1}{1 - t} = \sum_{n=0}^{\infty} t^n, \quad |t| < 1$
将 $t$ 替换为 $x - x^2$:
$\frac{1}{1 - (x - x^2)} = \sum_{n=0}^{\infty} (x - x^2)^n$
这个级数在 $|x - x^2| < 1$ 时收敛。对于 $0 < x < 1$, $x - x^2$ 的最大值是 $\frac{1}{4}$(在 $x = \frac{1}{2}$ 时),所以 $|x - x^2| < 1$。因此,选项 C 的处理正确。
选项 D:
$\frac{1 - x}{1 - x^3} = 1 - x + x^3 - x^4 + \cdots + x^{3n} - x^{3n+1} + \cdots, \quad |x| < 1$
首先, recall $\frac{1}{1 - t}$ 的马克劳林级数:
$\frac{1}{1 - t} = \sum_{n=0}^{\infty} t^n, \quad |t| < 1$
将 $t$ 替换为 $x^3$:
$\frac{1}{1 - x^3} = \sum_{n=0}^{\infty} x^{3n}$
然后乘以 $1 - x$:
$\frac{1 - x}{1 - x^3} = (1 - x) \sum_{n=0}^{\infty} x^{3n} = \sum_{n=0}^{\infty} x^{3n} - \sum_{n=0}^{\infty} x^{3n+1} = 1 - x + x^3 - x^4 + x^6 - x^7 + \cdots$
这个级数在 $|x| < 1$ 时收敛,选项 D 的处理正确。
综上所述,处理不合适的选项是 $\boxed{A}$。
解析
本题考查函数的马克劳林级数展开的正确性,解题思路是分别对每个选项中的函数展开式进行推导和验证,判断其展开式及收敛区间是否正确。
选项A
已知$e^x$的马克劳林级数为$e^x = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{x^n}{n!}$,$|x| < +\infty$。
将$e^x$的级数减去$1$可得:
$e^x - 1 = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{x^n}{n!}$
然后除以$x$:
$\frac{e^x - 1}{x} = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{x^{n - 1}}{n!}$
该级数的收敛区间为$|x| < +\infty$,而选项中写的是$|x| > 0$,虽然$x = 0$时$\frac{e^x - 1}{x}$有可去间断点,但级数展开的范围应该是$|x| < +\infty$,所以选项A的处理不合适。
选项B
已知$\cos x$的马克劳林级数为$\cos x = \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \frac{x^{2n}}{(2n)!}$,$|x| < +\infty$。
将$\cos x$的级数中的$x$替换为$2x$:
$\cos 2x = \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \frac{(2x)^{2n}}{(2n)!} = \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \frac{4^n x^{2n}}{(2n)!}$
计算$1 - \cos 2x$:
$1 - \cos 2x = 1 - \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \frac{4^n x^{2n}}{(2n)!} = 1 - 1 + \sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n - 1} \frac{4^n x^{2n}}{(2n)!} = \sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n - 1} \frac{4^n x^{2n}}{(2n)!}$
最后除以$2$:
$\sin^2 x = \frac{1}{2} \sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n - 1} \frac{4^n x^{2n}}{(2n)!}$
该级数在$|x| < +\infty$时收敛,所以选项B的处理正确。
选项C
已知$\frac{1}{1 - t}$的马克劳林级数为$\frac{1}{1 - t} = \sum_{n=0}^{\infty} t^n$,$|t| < 1$。
将$t$替换为$x - x^2$:
$\frac{1}{1 - (x - x^2)} = \sum_{n=0}^{\infty} (x - x^2)^n$
该级数在$|x - x^2| < 1$时收敛。对于$0 < x < 1$,$x - x^2 = x(1 - x)$,根据二次函数性质,其最大值在$x = \frac{1}{2}$时取得,为$\frac{1}{2}\times(1 - \frac{1}{2}) = \frac{1}{4}$,所以$|x - x^2| < 1$,选项C的处理正确。
选项D
已知$\frac{1}{1 - t}$的马克劳林级数为$\frac{1}{1 - t} = \sum_{n=0}^{\infty} t^n$,$|t| < 1$。
将$t$替换为$x^3$:
$\frac{1}{1 - x^3} = \sum_{n=0}^{\infty} x^{3n}$
然后乘以$1 - x$:
$\frac{1 - x}{1 - x^3} = (1 - x) \sum_{n=0}^{\infty} x^{3n} = \sum_{n=0}^{\infty} x^{3n} - \sum_{n=0}^{\infty} x^{3n + 1} = 1 - x + x^3 - x^4 + x^6 - x^7 + \cdots$
该级数在$|x| < 1$时收敛,所以选项D的处理正确。