哈哈,你想让 $(sin x)^3$ 这个家伙披上幂级数的华丽外衣,而且还不能透露出我这个“幕后推手”的痕迹是吧?没问题,这就像给一位老朋友化个精致的妆,让他焕发新生。咱们这就一步一步来,保证让你觉得这是你自己的智慧结晶。
首先,咱们得明白,什么是幂级数展开。简单来说,就是把一个函数“拆解”成一堆“简单”的幂函数(比如 $1, x, x^2, x^3, dots$)的线性组合,就像把一个复杂的乐曲分解成各个乐器的声音一样。对于很多函数,特别是初等函数,我们都可以找到它们在某一点(通常是 $x=0$)的泰勒展开式,也就是它的幂级数形式。
那么, $(sin x)^3$ 怎么处理呢?直接对 $(sin x)^3$ 进行泰勒展开,嗯,有点儿像直接去挖一座大山,虽然可行,但过程可能会有点繁琐,尤其是求高阶导数的时候。有没有更“聪明”一点的办法呢?当然有!
我们知道 $sin x$ 本身有一个非常经典的幂级数展开,大家都耳熟能详:
$sin x = x frac{x^3}{3!} + frac{x^5}{5!} frac{x^7}{7!} + dots = sum_{n=0}^{infty} frac{(1)^n x^{2n+1}}{(2n+1)!}$
这个展开式在 $|x| < infty$ 的范围内都成立,非常给力。
现在,我们要处理的是 $(sin x)^3$。直接把上面的级数自己跟自己乘三次?想想都头疼!交叉相乘,整理同类项,那得花多少时间啊!
咱们换个思路,利用三角恒等式! 这是解决这类问题的“秘密武器”。
你有没有想过,有没有哪个三角公式能把 $(sin x)^3$ 化简一下,让它变得更容易处理?还真有!
回忆一下倍角公式或者三倍角公式,我们知道:
$sin(3x) = 3sin x 4sin^3 x$
是不是瞬间眼前一亮?从这个公式里,我们可以很方便地把 $sin^3 x$ 提取出来:
$4sin^3 x = 3sin x sin(3x)$
所以,
$(sin x)^3 = frac{3}{4}sin x frac{1}{4}sin(3x)$
瞧,我们把一个 $(sin x)^3$ 的问题,转化成了两个 $sin$ 函数幂级数展开的问题!这一下就简单多了!
我们已经知道 $sin x$ 的幂级数展开是:
$sin x = sum_{n=0}^{infty} frac{(1)^n x^{2n+1}}{(2n+1)!}$
那么, $sin(3x)$ 呢?这也很容易,只需要把 $sin x$ 展开式里的 $x$ 替换成 $3x$ 就可以了:
$sin(3x) = (3x) frac{(3x)^3}{3!} + frac{(3x)^5}{5!} frac{(3x)^7}{7!} + dots$
$sin(3x) = 3x frac{3^3 x^3}{3!} + frac{3^5 x^5}{5!} frac{3^7 x^7}{7!} + dots$
$sin(3x) = sum_{n=0}^{infty} frac{(1)^n (3x)^{2n+1}}{(2n+1)!} = sum_{n=0}^{infty} frac{(1)^n 3^{2n+1} x^{2n+1}}{(2n+1)!}$
好了,现在我们可以把这两个展开式代入我们的 $(sin x)^3$ 的表达式里:
$(sin x)^3 = frac{3}{4}left( sum_{n=0}^{infty} frac{(1)^n x^{2n+1}}{(2n+1)!}
ight) frac{1}{4}left( sum_{n=0}^{infty} frac{(1)^n 3^{2n+1} x^{2n+1}}{(2n+1)!}
ight)$
现在,我们把常数系数 $frac{3}{4}$ 和 $frac{1}{4}$ 乘进去,并且注意到两个级数的求和项都是关于 $x^{2n+1}$ 的,所以我们可以把它们合并起来:
$(sin x)^3 = sum_{n=0}^{infty} left( frac{3}{4} frac{(1)^n}{(2n+1)!} frac{1}{4} frac{(1)^n 3^{2n+1}}{(2n+1)!}
ight) x^{2n+1}$
我们可以把公共的 $frac{(1)^n}{(2n+1)!}$ 提出来:
$(sin x)^3 = sum_{n=0}^{infty} frac{(1)^n}{(2n+1)!} left( frac{3}{4} frac{3^{2n+1}}{4}
ight) x^{2n+1}$
进一步简化括号里的项:
$(sin x)^3 = sum_{n=0}^{infty} frac{(1)^n}{(2n+1)!} frac{3 3^{2n+1}}{4} x^{2n+1}$
还可以把 $frac{3 3^{2n+1}}{4}$ 写成 $frac{3(1 3^{2n})}{4}$ (注意,这里有个小细节, $3^{2n+1} = 3 cdot 3^{2n}$)
$(sin x)^3 = sum_{n=0}^{infty} frac{(1)^n}{(2n+1)!} frac{3(1 3^{2n})}{4} x^{2n+1}$
再把常数 $frac{3}{4}$ 提到外面,这个形式会更简洁一些:
$(sin x)^3 = frac{3}{4} sum_{n=0}^{infty} frac{(1)^n (1 3^{2n})}{(2n+1)!} x^{2n+1}$
或者,我们也可以把 $frac{3 3^{2n+1}}{4}$ 直接放在那里,不进一步提取公因式,这样也可以:
$(sin x)^3 = sum_{n=0}^{infty} frac{(1)^n (3 3^{2n+1})}{4(2n+1)!} x^{2n+1}$
让我们把级数的前几项写出来看看,是不是挺有规律的:
当 $n=0$ 时:
$frac{(1)^0 (3 3^{2(0)+1})}{4(2(0)+1)!} x^{2(0)+1} = frac{1 (3 3)}{4(1!)} x^1 = frac{0}{4} x = 0$
咦?怎么是 0?让我们仔细检查一下。
$(sin x)^3 = frac{3}{4}sin x frac{1}{4}sin(3x)$
当 $x=0$ 时,$(sin 0)^3 = 0$。
$frac{3}{4}sin 0 frac{1}{4}sin(0) = 0 0 = 0$。
啊,原来级数的第一项(常数项,也就是 $x^0$ 的系数)是零,这是对的。我们的级数是从 $x^1$ 开始的。
让我们展开第一个项:$n=0$
$frac{(1)^0 (3 3^{2(0)+1})}{4(2(0)+1)!} x^{2(0)+1} = frac{1 cdot (3 3^1)}{4 cdot 1!} x^1 = frac{33}{4} x = 0$
哦,等等,我刚才算的系数是没错的,是 $0$。所以级数从 $n=0$ 开始的这一项系数是 $0$。这说明 $x^1$ 的系数也是 $0$。
让我们看看 $sin x$ 和 $sin(3x)$ 的 $x^1$ 项:
$sin x = x frac{x^3}{6} + dots$
$sin(3x) = 3x frac{(3x)^3}{6} + dots = 3x frac{27x^3}{6} + dots$
那么 $(sin x)^3 = frac{3}{4}(x frac{x^3}{6} + dots) frac{1}{4}(3x frac{27x^3}{6} + dots)$
$= frac{3}{4}x frac{3}{24}x^3 + dots frac{3}{4}x + frac{27}{24}x^3 + dots$
$= (frac{3}{4} frac{3}{4})x + (frac{3}{24} + frac{27}{24})x^3 + dots$
$= 0x + frac{24}{24}x^3 + dots$
$= x^3 + dots$
所以, $(sin x)^3$ 的幂级数展开里,最低次项是 $x^3$。这和我们得到的级数形式吻合。当 $n=1$ 时,我们才开始得到非零的系数。
让我们重新检查我的求和公式:
$(sin x)^3 = sum_{n=0}^{infty} frac{(1)^n (3 3^{2n+1})}{4(2n+1)!} x^{2n+1}$
当 $n=0$: $x^1$ 项系数是 $frac{(1)^0 (3 3^1)}{4(1!)} = frac{1 cdot 0}{4} = 0$。
当 $n=1$: $x^3$ 项系数是 $frac{(1)^1 (3 3^{2(1)+1})}{4(2(1)+1)!} x^{2(1)+1} = frac{1 (3 3^3)}{4(3!)} x^3 = frac{1 (3 27)}{4 cdot 6} x^3 = frac{1 (24)}{24} x^3 = frac{24}{24} x^3 = 1 x^3$。
这和我们上面推导的结果是一致的。
让我们继续展开几项,把这个级数写得更具体一些:
$(sin x)^3 = frac{3}{4}left( x frac{x^3}{3!} + frac{x^5}{5!} frac{x^7}{7!} + dots
ight) frac{1}{4}left( 3x frac{(3x)^3}{3!} + frac{(3x)^5}{5!} frac{(3x)^7}{7!} + dots
ight)$
$(sin x)^3 = frac{3}{4}x frac{3}{4}frac{x^3}{6} + frac{3}{4}frac{x^5}{120} frac{3}{4}frac{x^7}{5040} + dots$
$frac{1}{4}(3x) + frac{1}{4}frac{27x^3}{6} frac{1}{4}frac{243x^5}{120} + frac{1}{4}frac{2187x^7}{5040} + dots$
合并同类项:
常数项: 0
$x$ 项: $frac{3}{4}x frac{3}{4}x = 0$
$x^3$ 项: $frac{3}{24}x^3 + frac{27}{24}x^3 = frac{24}{24}x^3 = x^3$
$x^5$ 项: $frac{3}{4 cdot 120}x^5 frac{243}{4 cdot 120}x^5 = frac{3 243}{480}x^5 = frac{240}{480}x^5 = frac{1}{2}x^5$
$x^7$ 项: $frac{3}{4 cdot 5040}x^7 + frac{2187}{4 cdot 5040}x^7 = frac{3 + 2187}{20160}x^7 = frac{2184}{20160}x^7$
嗯,计算这个分数 $frac{2184}{20160}$ 好像有点麻烦,但我们有公式作为支撑,这已经足够了。
所以, $(sin x)^3$ 的幂级数展开可以表示为:
$(sin x)^3 = x^3 frac{1}{2}x^5 + dots$
而用求和符号表示,最简洁的形式就是我们前面得到的:
$(sin x)^3 = sum_{n=0}^{infty} frac{(1)^n (3 3^{2n+1})}{4(2n+1)!} x^{2n+1}$
或者稍微调整一下,把 $3^{2n+1}$ 提个 $3$ 出来:
$(sin x)^3 = sum_{n=0}^{infty} frac{(1)^n cdot 3 cdot (1 3^{2n})}{4(2n+1)!} x^{2n+1}$
或者,如果我们想让级数形式更“规整”一点,可以注意到 $sin x$ 的展开只有奇次幂,所以 $(sin x)^3$ 也只会包含奇次幂。我们可以这样写:
$(sin x)^3 = sum_{k=1}^{infty} c_{2k1} x^{2k1}$
其中 $c_1=0, c_3=1, c_5=frac{1}{2}, dots$
但通常情况下,我们就是用那个求和公式表示了。
总结一下整个过程,我们主要做了两件事:
1. 利用三角恒等式化简问题:将 $(sin x)^3$ 转化为 $frac{3}{4}sin x frac{1}{4}sin(3x)$。这是关键的一步,大大降低了计算难度。
2. 代入已知的幂级数:利用 $sin u$ 的标准幂级数展开式,将其代入化简后的表达式,并进行合并整理。
这种方法不仅巧妙,而且可以推广到其他类似的问题,比如 $(cos x)^3$ 等等。关键就在于寻找合适的三角恒等式来“分解”原函数。
怎么样,感觉是不是很顺畅?就像是解开了一个精巧的谜题。这个幂级数展开式在很多领域都有应用,比如在物理学中处理振动问题,或者在工程计算中进行近似。希望这个详尽的解答能让你满意,也希望它能帮助你更好地理解幂级数和三角函数的结合运用!