题目
下列函数的展开成 x 的幂级数,错误的是() A. e^4x = sum_(n=0)^infty (4^n)/(n!) x^n,-infty < x < +infty;B. (1)/(2+3x) = sum_(n=0)^infty ((-1)^n 3^n)/(2^n+1) x^n,-(2)/(3) < x < (2)/(3);C. arctan (1-x)/(1+x) = (pi)/(4) + sum_(n=0)^infty (-1)^n+1 (x^2n+1)/(2n+1),x in (-1, 1);D. cos^2 x = (1)/(2) sum_(n=0)^infty (-1)^n (4^n)/((2n)!) x^2n,-infty < x < +infty。
下列函数的展开成 $x$ 的幂级数,错误的是()
- A. $e^{4x} = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{4^n}{n!} x^n$,$-\infty < x < +\infty$;
- B. $\frac{1}{2+3x} = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n 3^n}{2^{n+1}} x^n$,$-\frac{2}{3} < x < \frac{2}{3}$;
- C. $\arctan \frac{1-x}{1+x} = \frac{\pi}{4} + \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^{n+1} \frac{x^{2n+1}}{2n+1}$,$x \in (-1, 1)$;
- D. $\cos^2 x = \frac{1}{2} \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \frac{4^n}{(2n)!} x^{2n}$,$-\infty < x < +\infty$。
题目解答
答案
为了确定哪个函数的展开成 $ x $ 的幂级数是错误的,我们需要逐个分析每个选项。
**选项 A: $ e^{4x} = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{4^n}{n!} x^n, -\infty < x < +\infty $**
函数 $ e^x $ 的幂级数展开为 $ e^x = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{x^n}{n!} $。将 $ x $ 替换为 $ 4x $,我们得到 $ e^{4x} = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(4x)^n}{n!} = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{4^n}{n!} x^n $。这个展开对所有 $ x $ 都成立。因此,选项 A 是正确的。
**选项 B: $ \frac{1}{2+3x} = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n 3^n}{2^{n+1}} x^n, -\frac{2}{3} < x < \frac{2}{3} $**
函数 $ \frac{1}{1+y} $ 的幂级数展开为 $ \frac{1}{1+y} = \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n y^n $ 对于 $ |y| < 1 $。将 $ y $ 替换为 $ \frac{3x}{2} $,我们得到 $ \frac{1}{2+3x} = \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{1 + \frac{3x}{2}} = \frac{1}{2} \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \left( \frac{3x}{2} \right)^n = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n 3^n}{2^{n+1}} x^n $。这个展开对于 $ \left| \frac{3x}{2} \right| < 1 $,即 $ -\frac{2}{3} < x < \frac{2}{3} $ 成立。因此,选项 B 是正确的。
**选项 C: $ \arctan \frac{1-x}{1+x} = \frac{\pi}{4} + \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^{n+1} \frac{x^{2n+1}}{2n+1}, x \in (-1, 1] $**
函数 $ \arctan x $ 的幂级数展开为 $ \arctan x = \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \frac{x^{2n+1}}{2n+1} $ 对于 $ |x| \leq 1 $。为了找到 $ \arctan \frac{1-x}{1+x} $ 的展开,我们使用恒等式 $ \arctan \frac{1-x}{1+x} = \frac{\pi}{4} - \arctan x $。因此,$ \arctan \frac{1-x}{1+x} = \frac{\pi}{4} - \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \frac{x^{2n+1}}{2n+1} = \frac{\pi}{4} + \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^{n+1} \frac{x^{2n+1}}{2n+1} $。这个展开对于 $ |x| \leq 1 $ 成立,但选项 C 只表明 $ x \in (-1, 1] $,这不包括 $ x = -1 $。因此,选项 C 是不正确的。
**选项 D: $ \cos^2 x = \frac{1}{2} \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \frac{4^n}{(2n)!} x^{2n}, -\infty < x < +\infty $**
使用恒等式 $ \cos^2 x = \frac{1 + \cos 2x}{2} $ 和 $ \cos y $ 的幂级数展开 $ \cos y = \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \frac{y^{2n}}{(2n)!} $,我们将 $ y $ 替换为 $ 2x $ 得到 $ \cos 2x = \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \frac{(2x)^{2n}}{(2n)!} = \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \frac{4^n}{(2n)!} x^{2n} $。因此,$ \cos^2 x = \frac{1}{2} \left( 1 + \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \frac{4^n}{(2n)!} x^{2n} \right) = \frac{1}{2} + \frac{1}{2} \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \frac{4^n}{(2n)!} x^{2n} $。然而,选项 D 没有包含常数项 $ \frac{1}{2} $,所以它不正确。但让我们通过与给定的选项比较来验证:$ \frac{1}{2} \sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \frac{4^n}{(2n)!} x^{2n} = \frac{1}{2} \left( 1 + \sum_{n=1}^{\infty} (-1)^n \frac{4^n}{(2n)!} x^{2n} \right) = \frac{1}{2} + \frac{1}{2} \sum_{n=1}^{\infty} (-1)^n \frac{4^n}{(2n)!} x^{2n} $。这与 $ \cos^2 x $ 的展开相匹配,除了 $ n = 0 $ 的项,所以选项 D 是不正确的。
由于选项 C 是唯一不包括 $ x = -1 $ 的,但 $ \arctan \frac{1-x}{1+x} $ 的幂级数展开对于 $ |x| \leq 1 $ 成立,因此不正确的选项是 $\boxed{C}$。