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113 政大微積分(應數大二二) 第 6 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分(應數大二二)

113學年度 · 113微積分(應數大二二) · 第 6 題

題目

Problem

(10%) Find the interval of convergence of n=1(3)nxnn+1\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-3)^n x^n}{\sqrt{n+1}}.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求尋找冪級數 n=1an(x)\sum_{n=1}^{\infty} a_n(x)收斂區間 (Interval of Convergence)
  2. 我們首先套用比例審斂法 (Ratio Test) 來求收斂半徑 RRlimnan+1(x)an(x)<1\lim_{n\to\infty} \left| \frac{a_{n+1}(x)}{a_n(x)} \right| < 1
    • 計算該極限值: limn(3)n+1xn+1n+2n+1(3)nxn=3xlimnn+1n+2=3x\lim_{n\to\infty} \left| \frac{(-3)^{n+1} x^{n+1}}{\sqrt{n+2}} \cdot \frac{\sqrt{n+1}}{(-3)^n x^n} \right| = 3|x| \lim_{n\to\infty} \sqrt{\frac{n+1}{n+2}} = 3|x|
    • 3x<1    x<1/33|x| < 1 \implies |x| < 1/3。這說明收斂半徑為 R=1/3R = 1/3,開區間為 (1/3,1/3)(-1/3, 1/3)
  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=1/3x = -1/3: 將其代入級數,消除 (3)n(-3)^n 得到 n=11n+1\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{\sqrt{n+1}}。 這是一個類似分母為 n1/2n^{1/2} 的級數,我們可以利用極限比較審斂法(或 pp-級數定理,p=1/21p=1/2 \le 1)證明其發散。
    • 端點二:當 x=1/3x = 1/3: 將其代入級數,得到 n=1(1)nn+1\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^n}{\sqrt{n+1}}。 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 00,證明其收斂。
  4. 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)=(3)nxnn+1u_n(x) = \frac{(-3)^n x^n}{\sqrt{n+1}}。 我們計算相鄰兩項绝对值比值的極限:

limnun+1(x)un(x)=limn(3)n+1xn+1n+2n+1(3)nxn=limn3xn+1n+2=3xlimn1+1n1+2n=3x1=3x\begin{align*} \lim_{n \to \infty} \left| \frac{u_{n+1}(x)}{u_n(x)} \right| =&\, \lim_{n \to \infty} \left| \frac{(-3)^{n+1} x^{n+1}}{\sqrt{n+2}} \cdot \frac{\sqrt{n+1}}{(-3)^n x^n} \right| \\[4mm] =&\, \lim_{n \to \infty} \left| -3 \cdot x \cdot \frac{\sqrt{n+1}}{\sqrt{n+2}} \right| \\[4mm] =&\, 3|x| \lim_{n \to \infty} \sqrt{\frac{1 + \frac{1}{n}}{1 + \frac{2}{n}}} \\[4mm] =&\, 3|x| \cdot 1 = 3|x| \end{align*}

根據比例審斂法,當此極限值小於 11 時,級數絕對收斂:

3x<1    x<13    13<x<133|x| < 1 \implies |x| < \frac{1}{3} \implies -\frac{1}{3} < x < \frac{1}{3}

這說明該冪級數的收斂半徑為 R=13R = \frac{1}{3}


第二步:檢驗區間的邊界端點

因為當極限值等於 11 (即 x=±1/3x = \pm 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:

  1. x=13x = -\frac{1}{3}: 將 x=1/3x = -1/3 代入原級數式:

    n=1(3)n(13)nn+1=n=1(313)nn+1=n=11n+1\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-3)^n \left( -\frac{1}{3} \right)^n}{\sqrt{n+1}} = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{\left( -3 \cdot -\frac{1}{3} \right)^n}{\sqrt{n+1}} = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{\sqrt{n+1}}

    我們將此級數與 pp-級數 n=11n1/2\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{1/2}} 進行極限比較(Limit Comparison Test):

    limn1n+11n1/2=limnnn+1=1>0\lim_{n \to \infty} \frac{\frac{1}{\sqrt{n+1}}}{\frac{1}{n^{1/2}}} = \lim_{n \to \infty} \sqrt{\frac{n}{n+1}} = 1 > 0

    因為 pp-級數 n=11n1/2\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{1/2}} 之特徵次數 p=121p = \frac{1}{2} \le 1 呈發散,所以根據極限比較法,當 x=1/3x = -1/3 時,級數是發散的。

  2. x=13x = \frac{1}{3}: 將 x=1/3x = 1/3 代入原級數式:

    n=1(3)n(13)nn+1=n=1(313)nn+1=n=1(1)nn+1\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-3)^n \left( \frac{1}{3} \right)^n}{\sqrt{n+1}} = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{\left( -3 \cdot \frac{1}{3} \right)^n}{\sqrt{n+1}} = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^n}{\sqrt{n+1}}

    這是一個交錯級數 n=1(1)nbn\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^n b_n,其中一般項 bn=1n+1b_n = \frac{1}{\sqrt{n+1}} 滿足:

    • bn>0b_n > 0 對所有 n1n \ge 1 恆成立。
    • bn+1=1n+2<1n+1=bnb_{n+1} = \frac{1}{\sqrt{n+2}} < \frac{1}{\sqrt{n+1}} = b_n (數列單調遞減)。
    • limnbn=limn1n+1=0\displaystyle \lim_{n \to \infty} b_n = \lim_{n \to \infty} \frac{1}{\sqrt{n+1}} = 0

    根據交錯級數審斂法 (Alternating Series Test / Leibniz’s Theorem),當 x=1/3x = 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 (13,13]\left( -\frac{1}{3},\, \frac{1}{3} \right](或寫作 13<x13-\frac{1}{3} < x \le \frac{1}{3})。