函数f(x)=(1)/(1+x^2)展开成x的幂级数为().A. sum_(n=0)^inftyx^2n,|x|B. sum_(n=0)^infty(-1)^nx^2n,|x|C. sum_(n=0)^inftyx^n,|x|D. sum_(n=0)^inftyx^2n,|x|
A. $\sum_{n=0}^{\infty}x^{2n},|x|<1.$
B. $\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^{n}x^{2n},|x|<1.$
C. $\sum_{n=0}^{\infty}x^{n},|x|<1.$
D. $\sum_{n=0}^{\infty}x^{2n},|x|<2.$
题目解答
答案
解析
本题考查函数展开成幂级数的知识,解题思路是利用已知的幂级数展开式,通过代换的方法将给定函数展开成$x$的幂级数,并确定其收敛区间。
我们知道等比级数的求和公式为$\frac{1}{1 - t}=\sum_{n = 0}^{\infty}t^{n}$,其收敛区间为$\vert t\vert< 1$。
对于函数$f(x)=\frac{1}{1 + x^{2}}$,我们可以令$t=-x^{2}$,将其代入到上述等比级数展开式中。
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步骤一:进行代换
把$t = -x^{2}$代入$\frac{1}{1 - t}=\sum_{n = 0}^{\infty}t^{n}$,可得:
$f(x)=\frac{1}{1 + x^{2}}=\frac{1}{1-(-x^{2})}=\sum_{n = 0}^{\infty}(-x^{2})^{n}$ -
步骤二:化简幂级数
根据幂的运算法则$(ab)^n=a^nb^n$,对$(-x^{2})^{n}$进行化简:
$(-x^{2})^{n}=(-1)^{n}(x^{2})^{n}=(-1)^{n}x^{2n}$
所以$f(x)=\sum_{n = 0}^{\infty}(-1)^{n}x^{2n}$ -
步骤三:确定收敛区间
因为等比级数$\frac{1}{1 - t}=\sum_{n = 0}^{\infty}t^{n}$的收敛区间为$\vert t\vert< 1$,现在$t = -x^{2}$,则有$\vert -x^{2}\vert< 1$。
由于$\vert -x^{2}\vert=\vert x^{2}\vert=x^{2}$(因为任何数的平方都大于等于$0$),所以$x^{2}< 1$,解这个不等式可得$-1< x< 1$,即$\vert x\vert< 1$。
综上,函数$f(x)=\frac{1}{1 + x^{2}}$展开成$x$的幂级数为$\sum_{n = 0}^{\infty}(-1)^{n}x^{2n}$,收敛区间为$\vert x\vert< 1$。