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9.1 圖書室

9.1.1 兩張卡片

「學長,有信件!有信件!」

總是精力旺盛的泰朵拉跑過來,手裡揮舞著卡片大聲嚷道。她的音量也太……

「喂,泰朵拉,這裡可是圖書室!我們可是高中生!這裡需要保持安靜。能不能小點聲吶!」

「噢,真是不好意思。」她對我點了一下頭,然後不好意思地環視了一下四周。

還是和往常一樣的圖書室,還是和往常一樣的放學後,還是和往常一樣慌慌張張的小丫頭,泰朵拉。

雖然圖書室裡只有我們幾個人,但是太吵的話,驚動圖書管理員瑞谷老師就不太好了。

「嗯,這張是學長的。」泰朵拉看了看手中的兩張卡片,拿出一張遞給我,「這張是我的。」說著,把另一張揣在胸前。

「木村老師的卡片,泰朵拉也拿到了嗎?」

「哦,是的。我和木村老師說我正在讓學長教我數學,然後老師就把卡片給了我,說一張是我的,另一張是給學長的。我,泰朵拉,今天就是郵遞員啦。」

泰朵拉的臉上露出了無憂無慮的笑容。

我的卡片上面寫著這樣的式子。

我的卡片

泰朵拉的卡片是這樣子的。

(泰朵拉的卡片)

「學長,我的卡片,就是研究課題吧?」又認真起來的泰朵拉坐在我的旁邊說。

「是的,是研究課題。根據這張卡片自己想問題,自由地思考討論。木村老師時常會給我們出這種問題……」

泰朵拉雙手拿著自己的卡片,認真地看著,在思考式子表示何種意思。

「嗯,但是學長,像 這種方程式,我無論如何也解不出來。」

「泰朵拉,這不是求 x 之類的問題。也就是說,這並不是方程式。」我一笑。

「這難道不是方程式?」

「是的。這不是方程式,而是恆等式。這卡片上的式子就像恆等式一樣,即對於所有的 x 都成立。我想這是一個求數列 a0, a1, a2, ... 的問題。」

「哦……學長,能不能提示一下我啊?後面的主幹問題我自己來解決,就提示一下最開始的一點點線索好嗎?」

泰朵拉的手伸到了看不見的梯子上,通過這梯子,她一定能升到空中去。

一直到達無限的彼岸。

9.1.2 無限次多項式

「那我們來這樣設定問題吧。」我一邊說,一邊在泰朵拉的卡片上開始寫。

問題 9-1

假設函數 sin x 能展開成如下所示的冪級數。這時,求數列 的通項公式。

「什麼叫冪級數啊?」

「像這張卡片右邊那樣的無限次多項式就是冪級數。多項式——比如說,關於 x 的 2 次多項式你總知道吧。」

「比如這個式子。」她把筆記本攤開。

  二次多項式(?)

「是的。但是嚴格來講是錯的。必須要添上 a ≠ 0。不然的話,比如 a = 0,b ≠ 0 時,就不是二次多項式了,就變成了一次多項式了。所以要把條件添上。」

「好。」

她馬上回應,並記在了筆記本上。很乖。

  二次多項式 (a ≠ 0)

「學長,這樣說的話,無限次多項式就應該這樣寫嘍。但是,總覺得怪怪的。」

  無限次多項式(?)

哦,原來她是這樣想的啊……

「不,那是亂來,泰朵拉。無限次多項式要從係數小的項開始寫。無限次中的『無限』可以用 ... 來表現。比較一下下面的式子就清楚了。」

「啊,原來如此呀。先寫 x 的指數小的那一項呀。不過想想也是應該這個樣子的……但是為什麼不用 a, b, c, ... 而是用 a0, a1, a2, ... 呢?」

「因為係數使用 a, b, c, ... , z 的話,那後面的 x 的次數就只能用從 0 到 25 這些數字了。字母只有 26 個呀。而且,要是變量使用 x 的話,係數上就不能再使用 x 了。另外,像 ak 那樣使用 k 這個變量,也是出於比較容易寫通項的緣故,也就是『通過引入變量進行一般化』。那麼在這裡,我們不使用 ,將問題 9-1 的式子改寫試試看。」

「到這裡就求出了數列 了。」

「不對不對,這還是剛剛的問題 9-1,只是將 具體寫出來了而已。以 sin x 的變化為依據求數列 ,這才是問題所在。也就是要找出 a0, a1, a2, ... 的實際的值。」

「實際的值能明白嗎? a0, a1, a2, ... 全部?」

「嗯,全部。把三角函數 sin x 畫出來就是這樣的曲線,即正弦波。看了圖像,馬上就能知道 a0 的值了。」我一邊繪圖一邊說道。

「上面圖像中的 a0 到底表示什麼呢?能不能把 a0 具體等於幾說出來呢?」

「啊?我可能不知道哦。」

「你一定知道。你一定能思考出來。加油!再思考一下。」

泰朵拉認真地對比圖像,開始探求 a0 的值。

她的表情非常豐富。開心之時,困惑之時,沉思之時,心情都直接反映在了臉上。光看著她這樣,我的心情也都要隨她一起波動起來。

嗯,大眼睛是她吸引人的地方。會動來動去的瞳孔、誇張的動作也讓人感覺很不錯。而且最重要的是她直來直去的性格……但是,解析那些東西很是無聊的啊。泰朵拉啊泰朵拉。

過了一會兒,她很高興地抬起了頭。

「學長。真簡單,我弄出來了。答案是 0。a0 應該等於 0,對吧?」

「嗯。正確。怎麼得出來的呢?」

「因為通過圖像可以知道,sin 0 的值等於 0。圖像是經過 x = 0,y = 0 這個點的。也就是說,如果 x 是 0 的話,按理來說式子 也應該等於 0,因為它是等於 sin 0 的。然後,如果把 x = 0 代入式子的話,剩下的就只有 a0,因為 a0 以外的各項都由於 x = 0 的關係消去了,所以只剩下 a0,故 a0 的值為 0 !」

「確實如此,但是不准大聲嚷嚷噢!」

「啊,不好意思。」

「那麼往下一步進行吧。a0 以外的值,你知道是多少嗎?」

泰朵拉自從知道自己想出的 a0 = 0 是正確答案之後,眼睛睜得更大了,全神貫注地看著式子,開始計算。

嗯。平時手忙腳亂的泰朵拉一到關鍵時候,那種集中注意力的能量還真是令人敬佩。這個也是她吸引人的地方。

泰朵拉開始投入到問題 9-1 的解決之中去了。

我也開始去解決自己卡片上的問題 。打開筆記本,手握自動鉛筆。首先從抓住具體的狀態開始。

這裡是圖書室。我們是高中生。在安靜的環境中開始學習了。