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CalcGospel 國際數學圖譜
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IAL 2023 Jan Q1

A Level / Edexcel / P4

IAL 2023 Jan Paper · Question 1

题目

Problem

f(x)=5x+10(1x)(2+3x)\mathrm{f}(x)=\frac{5x+10}{(1-x)(2+3x)}

(a) Write f(x)\mathrm{f}(x) in partial fraction form.

(3)

(b) (i) Hence find, in ascending powers of xx up to and including the terms in x2x^2, the binomial series expansion of f(x)\mathrm{f}(x). Give each coefficient as a simplified fraction.

(5)

(ii) Find the range of values of xx for which this expansion is valid.

(1)
题目中文翻译 f(x)=5x+10(1x)(2+3x)\mathrm{f}(x)=\frac{5x+10}{(1-x)(2+3x)}

(a) 将 f(x)\mathrm{f}(x) 写成部分分式形式。

(b) (i) 进而求 f(x)\mathrm{f}(x) 的二项级数展开式,按 xx 的升幂排列,保留到并包括 x2x^2 项。将每个系数写成最简分数。

(ii) 求该展开式成立时 xx 的取值范围。

解答

(a)

解法一

思路

展开

设部分分式为 A1x+B2+3x\frac{A}{1-x}+\frac{B}{2+3x}。通分后分别代入使两个一次因式为零的 xx 值,可以快速求出 AABB

答题过程

展开

Let

5x+10(1x)(2+3x)=A1x+B2+3x.\frac{5x+10}{(1-x)(2+3x)} =\frac{A}{1-x}+\frac{B}{2+3x}.

Then

5x+10=A(2+3x)+B(1x).5x+10=A(2+3x)+B(1-x).

Setting x=1x=1 gives

15=5A,15=5A,

so A=3A=3. Setting x=23x=-\frac23 gives

203=53B,\frac{20}{3}=\frac{5}{3}B,

so B=4B=4. Therefore,

f(x)=31x+42+3x.\boxed{ \mathrm{f}(x) =\frac{3}{1-x}+\frac{4}{2+3x} }.

(b)(i)

解法一

思路

展开

承接 (a),分别展开两个部分分式。第一项使用等比级数 (1x)1(1-x)^{-1};第二项先从分母提出 22,再展开 (1+3x2)1(1+\frac{3x}{2})^{-1}。保留到 x2x^2 后合并,注意一次项正好抵消。

答题过程

展开

From part (a),

f(x)=3(1x)1+2(1+3x2)1.\mathrm{f}(x) =3(1-x)^{-1} +2\bigg(1+\frac{3x}{2}\bigg)^{-1}.

Using

(1+u)1=1u+u2+,(1+u)^{-1}=1-u+u^2+\cdots,

we obtain

3(1x)1=3(1+x+x2+)3(1-x)^{-1} =3(1+x+x^2+\cdots)

and

2(1+3x2)1=2(13x2+9x24+)=23x+92x2+.\begin{align*} 2\bigg(1+\frac{3x}{2}\bigg)^{-1} =&\,2\bigg( 1-\frac{3x}{2}+\frac{9x^2}{4}+\cdots \bigg)\\ =&\,2-3x+\frac{9}{2}x^2+\cdots. \end{align*}

Therefore,

f(x)=(3+3x+3x2)+(23x+92x2)+=5+152x2+.\begin{align*} \mathrm{f}(x) =&\,(3+3x+3x^2)\\ &\,\hspace{2pt} +\bigg(2-3x+\frac{9}{2}x^2\bigg) +\cdots\\ =&\,\boxed{5+\frac{15}{2}x^2+\cdots}. \end{align*}

(b)(ii)

解法一

思路

展开

两个级数必须同时收敛。分别写出 x<1\lvert x\rvert<13x2<1\lvert\frac{3x}{2}\rvert<1,再取两者的交集。

答题过程

展开

The expansion of (1x)1(1-x)^{-1} requires

x<1.|x|<1.

The expansion of (1+3x2)1\big(1+\frac{3x}{2}\big)^{-1} requires

3x2<1,\bigg|\frac{3x}{2}\bigg|<1,

so

x<23.|x|<\frac23.

Both conditions must hold. Hence the required range is

23<x<23.\boxed{-\frac23<x<\frac23}.