題目
Problem
(10%) Find the interval of convergence of n=1∑∞n+1(−3)nxn.
解答
解法一
思路
展開
- 本題要求尋找冪級數 ∑n=1∞an(x) 的收斂區間 (Interval of Convergence)。
- 我們首先套用比例審斂法 (Ratio Test) 來求收斂半徑 R:
limn→∞an(x)an+1(x)<1
- 計算該極限值:
limn→∞n+2(−3)n+1xn+1⋅(−3)nxnn+1=3∣x∣limn→∞n+2n+1=3∣x∣
- 令 3∣x∣<1⟹∣x∣<1/3。這說明收斂半徑為 R=1/3,開區間為 (−1/3,1/3)。
- 第三步:單獨檢驗區間的兩個端點(比例審斂法失效處):
- 端點一:當 x=−1/3 時:
將其代入級數,消除 (−3)n 得到 ∑n=1∞n+11。
這是一個類似分母為 n1/2 的級數,我們可以利用極限比較審斂法(或 p-級數定理,p=1/2≤1)證明其發散。
- 端點二:當 x=1/3 時:
將其代入級數,得到 ∑n=1∞n+1(−1)n。
這是一個交錯級數。利用交錯級數審斂法 (Alternating Series Test) 驗證其連續遞減且極限為 0,證明其收斂。
- 綜合開區間與端點收斂情況,即可得出收斂區間。
答題過程
展開
第一步:利用比例審斂法求收斂半徑
設級數的一般項為 un(x)=n+1(−3)nxn。
我們計算相鄰兩項绝对值比值的極限:
n→∞limun(x)un+1(x)====n→∞limn+2(−3)n+1xn+1⋅(−3)nxnn+1n→∞lim−3⋅x⋅n+2n+13∣x∣n→∞lim1+n21+n13∣x∣⋅1=3∣x∣
根據比例審斂法,當此極限值小於 1 時,級數絕對收斂:
3∣x∣<1⟹∣x∣<31⟹−31<x<31
這說明該冪級數的收斂半徑為 R=31。
第二步:檢驗區間的邊界端點
因為當極限值等於 1 (即 x=±1/3)時比例審斂法失效,我們必須將這兩個端點分開進行單獨討論:
-
當 x=−31 時:
將 x=−1/3 代入原級數式:
n=1∑∞n+1(−3)n(−31)n=n=1∑∞n+1(−3⋅−31)n=n=1∑∞n+11
我們將此級數與 p-級數 ∑n=1∞n1/21 進行極限比較(Limit Comparison Test):
n→∞limn1/21n+11=n→∞limn+1n=1>0
因為 p-級數 ∑n=1∞n1/21 之特徵次數 p=21≤1 呈發散,所以根據極限比較法,當 x=−1/3 時,級數是發散的。
-
當 x=31 時:
將 x=1/3 代入原級數式:
n=1∑∞n+1(−3)n(31)n=n=1∑∞n+1(−3⋅31)n=n=1∑∞n+1(−1)n
這是一個交錯級數 ∑n=1∞(−1)nbn,其中一般項 bn=n+11 滿足:
- bn>0 對所有 n≥1 恆成立。
- bn+1=n+21<n+11=bn (數列單調遞減)。
- n→∞limbn=n→∞limn+11=0。
根據交錯級數審斂法 (Alternating Series Test / Leibniz’s Theorem),當 x=1/3 時,級數是收斂的。
第三步:得出最終區間
結合上述結果,級數在開區間內收斂,在左端點發散,在右端點收斂。
結論:
收斂區間為 (−31,31](或寫作 −31<x≤31)。