将 1−x21+3x3\dfrac{1 - x^2}{\sqrt[3]{1 + 3x}} 展开为 xx 的升幂级数,展开到包含 x3x^3 项为止。 (ii) 写出该级数展开式成立的 xx 的取值集合。 (iii) 写出曲线 y=1−x21+3x3y = \dfrac{1 - x^2}{\sqrt[3]{1 + 3x}} 在点 (0,1)(0,1) 处的切线方程。

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完整解法

Q1

1. Rewrite the expression with a negative fractional index to prepare for expansion.

1−x21+3x3=(1−x2)(1+3x)−13\frac{1 - x^2}{\sqrt[3]{1 + 3x}} = (1 - x^2)(1 + 3x)^{-\frac{1}{3}}

2. Expand $(1+3x)^{-\frac{1}{3}}$ up to the term in $x^3$.

(1+3x)−13=1+(−13)(3x)+(−13)(−43)2!(3x)2+(−13)(−43)(−73)3!(3x)3+…(1 + 3x)^{-\frac{1}{3}} = 1 + \left(-\frac{1}{3}\right)(3x) + \frac{\left(-\frac{1}{3}\right)\left(-\frac{4}{3}\right)}{2!}(3x)^2 + \frac{\left(-\frac{1}{3}\right)\left(-\frac{4}{3}\right)\left(-\frac{7}{3}\right)}{3!}(3x)^3 + \dots
=1−x+4/92(9x2)−28/276(27x3)+…= 1 - x + \frac{4/9}{2}(9x^2) - \frac{28/27}{6}(27x^3) + \dots
=1−x+2x2−143x3+…= 1 - x + 2x^2 - \frac{14}{3}x^3 + \dots

3. Multiply by $(1-x^2)$ and collect terms up to $x^3$.

(1−x2)(1+3x)−13=(1−x2)(1−x+2x2−143x3+… )(1 - x^2)(1 + 3x)^{-\frac{1}{3}} = (1 - x^2)\left(1 - x + 2x^2 - \frac{14}{3}x^3 + \dots\right)
=(1−x+2x2−143x3)−x2(1−x)+…= \left(1 - x + 2x^2 - \frac{14}{3}x^3\right) - x^2(1 - x) + \dots
=1−x+2x2−143x3−x2+x3= 1 - x + 2x^2 - \frac{14}{3}x^3 - x^2 + x^3
=1−x+x2−113x3= 1 - x + x^2 - \frac{11}{3}x^3

4. Determine the set of values of $x$ for which the expansion is valid.

The expansion is valid when ∣3x∣<1|3x| < 1.
∣x∣<13  ⟹  −13<x<13|x| < \frac{1}{3} \implies -\frac{1}{3} < x < \frac{1}{3}

5. Find the gradient of the tangent at $x = 0$ using the series expansion.

Near x=0x = 0, y≈1−x+x2−113x3y \approx 1 - x + x^2 - \frac{11}{3}x^3.
By differentiating, dydx≈−1+2x−11x2\frac{dy}{dx} \approx -1 + 2x - 11x^2.
At x=0x = 0, the gradient m=−1m = -1.

(Alternatively, the coefficient of xx in the Maclaurin expansion directly gives f′(0)=−1f'(0) = -1.)

6. Form the equation of the tangent at the point $(0,1)$.

y−1=−1(x−0)y - 1 = -1(x - 0)
y=1−xy = 1 - x

答案

(i) 1−x+x2−113x31 - x + x^2 - \frac{11}{3}x^3
(ii) −13<x<13-\frac{1}{3} < x < \frac{1}{3}
(iii) y=1−xy = 1 - x

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