利用二项式级数将 1+x1−x\sqrt{\dfrac{1 + x}{1 - x}} 展开为 xx 的升幂级数,展开到包含 x2x^2 项为止,其中 ∣x∣<1|x| < 1。 通过在结果中代入 x=110x = \tfrac{1}{10},证明 11≈663200\sqrt{11} \approx \dfrac{663}{200}。

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完整解法

Q7

1. Rewrite the given expression as a product of two binomial terms with rational powers.

1+x1−x=(1+x)12(1−x)−12\sqrt{\frac{1 + x}{1 - x}} = (1 + x)^{\frac{1}{2}} (1 - x)^{-\frac{1}{2}}

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

(1+x)12=1+12x+(12)(−12)2!x2+⋯=1+12x−18x2+…(1 + x)^{\frac{1}{2}} = 1 + \frac{1}{2}x + \frac{\left(\frac{1}{2}\right)\left(-\frac{1}{2}\right)}{2!}x^2 + \dots = 1 + \frac{1}{2}x - \frac{1}{8}x^2 + \dots

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

(1−x)−12=1+(−12)(−x)+(−12)(−32)2!(−x)2+⋯=1+12x+38x2+…(1 - x)^{-\frac{1}{2}} = 1 + \left(-\frac{1}{2}\right)(-x) + \frac{\left(-\frac{1}{2}\right)\left(-\frac{3}{2}\right)}{2!}(-x)^2 + \dots = 1 + \frac{1}{2}x + \frac{3}{8}x^2 + \dots

4. Multiply the two expansions, discarding terms with powers higher than $x^2$.

(1+x)12(1−x)−12≈(1+12x−18x2)(1+12x+38x2)=1(1+12x+38x2)+12x(1+12x)−18x2(1)=1+12x+38x2+12x+14x2−18x2=1+x+12x2\begin{aligned} (1 + x)^{\frac{1}{2}} (1 - x)^{-\frac{1}{2}} &\approx \left(1 + \frac{1}{2}x - \frac{1}{8}x^2\right)\left(1 + \frac{1}{2}x + \frac{3}{8}x^2\right) \\ &= 1\left(1 + \frac{1}{2}x + \frac{3}{8}x^2\right) + \frac{1}{2}x\left(1 + \frac{1}{2}x\right) - \frac{1}{8}x^2(1) \\ &= 1 + \frac{1}{2}x + \frac{3}{8}x^2 + \frac{1}{2}x + \frac{1}{4}x^2 - \frac{1}{8}x^2 \\ &= 1 + x + \frac{1}{2}x^2 \end{aligned}

5. Substitute $x = \frac{1}{10}$ into both the original expression and the polynomial approximation.

When x=110,\text{When } x = \frac{1}{10},
1+1101−110≈1+(110)+12(110)2\sqrt{\frac{1 + \frac{1}{10}}{1 - \frac{1}{10}}} \approx 1 + \left(\frac{1}{10}\right) + \frac{1}{2}\left(\frac{1}{10}\right)^2
1110910≈1+110+1200\sqrt{\frac{\frac{11}{10}}{\frac{9}{10}}} \approx 1 + \frac{1}{10} + \frac{1}{200}

6. Simplify the resulting numerical equation to prove the target approximation for $\sqrt{11}$.

119≈200200+20200+1200\sqrt{\frac{11}{9}} \approx \frac{200}{200} + \frac{20}{200} + \frac{1}{200}
113≈221200\frac{\sqrt{11}}{3} \approx \frac{221}{200}
11≈663200(shown)\sqrt{11} \approx \frac{663}{200} \quad \text{(shown)}

答案

1+x+12x21 + x + \frac{1}{2}x^2

(The second part is a 'show that' which concludes with 11≈663200\sqrt{11} \approx \frac{663}{200})

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