Answer

问题及解答

$(1+x)^{\alpha}$ 的 Taylor 展开式.

Posted by haifeng on 2022-04-28 21:27:30 last update 2022-04-28 23:28:57 | Edit | Answers (2)

$(1+x)^{\alpha}$ 的 Taylor 展开式.  指将其展开成 $x$ 的幂级数.

 

\[
(1+x)^{\alpha}=1+\alpha x+\frac{\alpha(\alpha-1)}{2!}x^2+\frac{\alpha(\alpha-1)(\alpha-2)}{3!}x^3+\cdots+\frac{\alpha(\alpha-1)(\alpha-2)\cdots\bigl(\alpha-(n-1)\bigr)}{n!}x^n+\cdots
\]

这里 $x\in(-1,1)$.  如果记

\[\binom{\alpha}{n}=\frac{\alpha(\alpha-1)(\alpha-2)\cdots\bigl(\alpha-(n-1)\bigr)}{n!},\]

则可以简记为

\[
(1+x)^{\alpha}=\sum_{n=0}^{\infty}\binom{\alpha}{n}x^n.
\]


 

特别的, 令 $\alpha=\frac{1}{2}$, 则得到 $\sqrt{1+x}$ 的 Taylor 展开式.

\[
\sqrt{1+x}=1+\frac{1}{2}x-\frac{1}{2\cdot 4}x^2+\frac{1\cdot 3}{2\cdot 4\cdot 6}x^3-\frac{1\cdot 3\cdot 5}{2\cdot 4\cdot 6\cdot 8}x^4+\cdots
\]

这里 $x\in[-1,1]$.  如果约定 $(-1)!!=0!!=1$, 则可以写为

\[
\sqrt{1+x}=1+\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1}\cdot\frac{(2n-3)!!}{(2n)!!}x^n
\]

证明:  上面的级数在 $x=\pm 1$ 时收敛.

[Hint]  $x=1$ 时, 级数为交错级数, 使用 Leibniz 判别法;  $x=-1$ 时, 使用 Raabe 判别法.


 

当 $\alpha=-\frac{1}{2}$ 时, 得到 $\frac{1}{\sqrt{1+x}}$ 的 Taylor 展开式.

\[
\begin{split}
\frac{1}{\sqrt{1+x}}&=1-\frac{1}{2}x+\frac{(-\frac{1}{2})(-\frac{1}{2}-1)}{2!}x^2+\frac{(-\frac{1}{2})(-\frac{1}{2}-1)(-\frac{1}{2}-2)}{3!}x^3\\
&\qquad+\cdots+\frac{(-\frac{1}{2})(-\frac{1}{2}-1)(-\frac{1}{2}-2)\cdots\bigl(-\frac{1}{2}-(n-1)\bigr)}{n!}x^n+\cdots\\
&=1-\frac{1}{2}x+\frac{1\cdot 3}{2!\cdot 2^2}x^2-\frac{1\cdot 3\cdot 5}{3!\cdot 2^3}x^3+\cdots+(-1)^n\cdot\frac{1\cdot 3\cdot 5\cdots(2n-1)}{n!\cdot 2^n}x^n+\cdots\\
&=\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^n\cdot\frac{(2n-1)!!}{(2n)!!}x^n
\end{split}
\]

证明此级数在 $x=1$ 处收敛, 在 $x=-1$ 处发散.

1

Posted by haifeng on 2022-04-28 23:09:50

当 $x=1$ 时,  级数

\[
\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1}\cdot\frac{(2n-3)!!}{(2n)!!}
\]

为交错级数.  记 $u_n=\frac{(2n-3)!!}{(2n)!!}$, 则容易证明 $u_n$ 递减趋于零, 从而根据 Leibniz 判别法, 级数收敛.

事实上, 

\[
u_{n+1}=\frac{(2n-1)!!}{(2n+2)!!}=\frac{2n-1}{2n+2}\cdot\frac{(2n-3)!!}{(2n)!!} < u_n
\]

并且

\[
u_n=\frac{(2n-3)!!}{(2n)!!}=\frac{1}{2n}\cdot\frac{2n-3}{2n-2}\cdot\frac{2n-5}{2n-4}\cdots\frac{3}{4}\cdot\frac{1}{2} < \frac{1}{2n}
\]

因此, $\lim\limits_{n\rightarrow\infty}u_n=0$.


 

当 $x=-1$ 时, 级数为

\[
1+\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1}\cdot\frac{(2n-3)!!}{(2n)!!}\cdot(-1)^n=1-\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(2n-3)!!}{(2n)!!}
\]

对于 $\sum\limits_{n=1}^{\infty}\frac{(2n-3)!!}{(2n)!!}$, 应用 Raabe 判别法, 令 $a_n=\frac{(2n-3)!!}{(2n)!!}$, 则

\[
n(\frac{a_n}{a_{n+1}}-1)=n\cdot\dfrac{\frac{(2n-3)!!}{(2n)!!}}{\frac{(2n-1)!!}{(2n+2)!!}}-n=n\cdot\frac{2n+2}{2n-1}-n=\frac{3n}{2n-1} > 1
\]

因此, 级数收敛.

 

2

Posted by haifeng on 2022-04-28 23:55:02

对于 $\frac{1}{\sqrt{1+x}}$ 的幂级数展式, 即

\[
\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^n\cdot\frac{(2n-1)!!}{(2n)!!}x^n
\]

当 $x=1$ 时, 级数为交错级数. 若令 $u_n=\frac{(2n-1)!!}{(2n)!!}$, 则容易验证 $\{u_n\}$ 递减趋于零, 从而根据 Leibniz 判别法, 级数收敛.

$\{u_n\}$ 递减很容易, 

\[
u_n=\frac{(2n-1)!!}{(2n)!!} > \frac{2n+1}{2n+2}\cdot\frac{(2n-1)!!}{(2n)!!}=\frac{(2n+1)!!}{(2n+2)!!}=u_{n+1}.
\]

 

$\lim\limits_{n\rightarrow\infty}u_n=0$ 参见问题685的解答.


 

当 $x=-1$ 时, 级数为

\[
\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(2n-1)!!}{(2n)!!}.
\]

使用比值判别法(也就是达朗贝尔(d'Alembert)判别法)无法判断. 这里我们使用 Raabe 判别法.

记 $a_n=\frac{(2n-1)!!}{(2n)!!}$, 则

\[
n(\frac{a_n}{a_{n+1}}-1)=n\cdot\dfrac{\frac{(2n-1)!!}{(2n)!!}}{\frac{(2n+1)!!}{(2n+2)!!}}-n=n\cdot\frac{2n+2}{2n+1}-n=\frac{n}{2n+1} < 1,
\]

所以级数发散.