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数学
题目

将函数 (x)=dfrac (1)({x)^2-x-2} 展开成 (x)=dfrac (1)({x)^2-x-2} 的幂级数

将函数  展开成  的幂级数

题目解答

答案

指定展开式之间的关系构造函数本题中

根据常见的幂级数展开式

∴

对于其收敛域有

对于其收敛域有

所以的收敛域为

故本题的答案为

解析

步骤 1:分解函数
将函数 $f(x)=\dfrac {1}{{x}^{2}-x-2}$ 分解为部分分式,即
$$
f(x) = \dfrac {1}{(x-2)(x+1)} = \dfrac {1}{3} \left( \dfrac {1}{x-2} - \dfrac {1}{x+1} \right)
$$
步骤 2:构造幂级数
构造幂级数,将每个部分分式转换为 $(x+3)$ 的幂级数形式。首先,将每个分式转换为 $(x+3)$ 的形式:
$$
\dfrac {1}{x-2} = \dfrac {1}{-5+x+3} = -\dfrac {1}{5} \cdot \dfrac {1}{1-(\dfrac {x+3}{5})}
$$
$$
\dfrac {1}{x+1} = \dfrac {1}{-2+x+3} = -\dfrac {1}{2} \cdot \dfrac {1}{1-(\dfrac {x+3}{2})}
$$
步骤 3:应用幂级数展开式
根据常见的幂级数展开式 $\dfrac {1}{1-x} = \sum _{n=0}^{\infty }{x}^{n}$,$-1\lt x\lt 1$,将上述两个表达式展开为幂级数:
$$
\dfrac {1}{1-(\dfrac {x+3}{5})} = \sum _{n=0}^{\infty }{(\dfrac {x+3}{5})}^{n} \quad , -1\lt \dfrac {x+3}{5}\lt 1
$$
$$
\dfrac {1}{1-(\dfrac {x+3}{2})} = \sum _{n=0}^{\infty }{(\dfrac {x+3}{2})}^{n} \quad , -1\lt \dfrac {x+3}{2}\lt 1
$$
步骤 4:确定收敛域
对于 $\dfrac {1}{1-(\dfrac {x+3}{5})}$,其收敛域为 $-1\lt \dfrac {x+3}{5}\lt 1$,即 $-8\lt x\lt 2$。
对于 $\dfrac {1}{1-(\dfrac {x+3}{2})}$,其收敛域为 $-1\lt \dfrac {x+3}{2}\lt 1$,即 $-5\lt x\lt -1$。
因此,$f(x)$ 的收敛域为 $-5\lt x\lt -1$。
步骤 5:组合幂级数
将上述幂级数组合起来,得到 $f(x)$ 的幂级数展开式:
$$
f(x) = \dfrac {1}{3} \left( -\dfrac {1}{5} \sum _{n=0}^{\infty }{(\dfrac {x+3}{5})}^{n} - (-\dfrac {1}{2}) \sum _{n=0}^{\infty }{(\dfrac {x+3}{2})}^{n} \right)
$$
$$
= -\dfrac {1}{15} \sum _{n=0}^{\infty }{(\dfrac {x+3}{5})}^{n} + \dfrac {1}{6} \sum _{n=0}^{\infty }{(\dfrac {x+3}{2})}^{n}
$$
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