題目
Problem
6. Show that n=0∑∞(−1)nx2n=1+x21 provided that ∣x∣<1 and use this result to find the sum of the series (10%)
n=0∑∞(2n+1)(3)2n+1(−1)n
解答
證明與求解過程
展開
第一部分:證明幾何級數等式
我們考慮無窮級數 n=0∑∞(−1)nx2n,其一般項可寫為:
n=0∑∞(−x2)n
這是一個首項為 a=1、公比為 r=−x2 的無窮幾何級數(等比級數)。
根據無窮幾何級數求和公式,當且僅當公比的絕對值小於 1 時收斂:
∣r∣<1⟹−x2<1⟹x2<1⟹∣x∣<1
在此收斂條件下,其和為:
n=0∑∞(−1)nx2n=1−ra=1−(−x2)1=1+x21
故等式得證。
第二部分:求解無窮級數的和
由第一部分已證實,當 ∣t∣<1 時:
n=0∑∞(−1)nt2n=1+t21
由於冪級數在其收斂區間 (−1,1) 內可以逐項積分,我們對等號兩側從 0 到 x 進行定積分(其中 ∣x∣<1):
∫0x(n=0∑∞(−1)nt2n)dt=∫0x1+t21dt
n=0∑∞(−1)n(∫0xt2ndt)=[arctan(t)]0x
n=0∑∞2n+1(−1)nx2n+1=arctan(x)
現在,我們代入 x=31。
- 檢驗範圍: 31=31≈0.577<1,符合收斂半徑條件。
代入後左側恰為題目要求的級數:
n=0∑∞2n+1(−1)n(31)2n+1=n=0∑∞(2n+1)(3)2n+1(−1)n
對應的右側值為:
arctan(31)=6π
結論:
級數的和為 6π。