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113 政大微積分 Part B 第 4 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分

113學年度 · 113微積分 · 第 9 題

題目

Problem

Problem 4: (10%) Find the sum of the series ∑n=1∞n3xn\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} n^3 x^n for ∣x∣<1|x| < 1.

解答

解法一:利用微分算子(逐項微分)遞推法(推薦解法)

思路

展開
  1. 本題要求計算冪級數 ∑n=1∞n3xn\sum_{n=1}^{\infty} n^3 x^n 的和函數。
  2. 我們從最基本的幾何級數求和公式出發: ∑n=0∞xn=11−x(對於 ∣x∣<1)\sum_{n=0}^{\infty} x^n = \frac{1}{1-x} \quad (\text{對於 } |x| < 1)
  3. 我們的策略是透過**「求導再乘以 xx」**這一運算步驟(即算子 xddxx \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}),將一般項的係數從 1→n→n2→n31 \to n \to n^2 \to n^3 逐步提升:
    • 一次運算(求 nxnn x^n 的和): 對幾何級數求導: ∑n=1∞nxn−1=ddx(11−x)=1(1−x)2\sum_{n=1}^{\infty} n x^{n-1} = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left(\frac{1}{1-x}\right) = \frac{1}{(1-x)^2}。 兩邊同乘以 xx: ∑n=1∞nxn=x(1−x)2\sum_{n=1}^{\infty} n x^n = \frac{x}{(1-x)^2}。
    • 二次運算(求 n2xnn^2 x^n 的和): 對上式求導: ∑n=1∞n2xn−1=ddx(x(1−x)2)=1+x(1−x)3\sum_{n=1}^{\infty} n^2 x^{n-1} = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left( \frac{x}{(1-x)^2} \right) = \frac{1+x}{(1-x)^3}。 兩邊同乘以 xx: ∑n=1∞n2xn=x(1+x)(1−x)3\sum_{n=1}^{\infty} n^2 x^n = \frac{x(1+x)}{(1-x)^3}。
    • 三次運算(求 n3xnn^3 x^n 的和): 對上式求導後再同乘以 xx,即可得到最終結果。

答題過程

展開

當 ∣x∣<1|x| < 1 時,我們已知幾何級數(等比級數)的和函數為:

∑n=0∞xn=11−x\sum_{n=0}^{\infty} x^n = \frac{1}{1-x}

第一步:求級數 ∑n=1∞nxn\sum_{n=1}^{\infty} n x^n 的和

對幾何級數兩邊關於 xx 進行逐項求導:

∑n=1∞nxn−1=ddx(11−x)=1(1−x)2\sum_{n=1}^{\infty} n x^{n-1} = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left( \frac{1}{1-x} \right) = \frac{1}{(1-x)^2}

兩側同乘以 xx:

∑n=1∞nxn=x(1−x)2— (1)\sum_{n=1}^{\infty} n x^n = \frac{x}{(1-x)^2} \quad \text{--- (1)}

第二步:求級數 ∑n=1∞n2xn\sum_{n=1}^{\infty} n^2 x^n 的和

對式 (1) 兩邊關於 xx 再次進行逐項求導(使用商求導法則):

∑n=1∞n2xn−1= ddx(x(1−x)2)= 1⋅(1−x)2−x⋅2(1−x)(−1)(1−x)4= (1−x)+2x(1−x)3=1+x(1−x)3\begin{align*} \sum_{n=1}^{\infty} n^2 x^{n-1} =&\, \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left( \frac{x}{(1-x)^2} \right) \\[4mm] =&\, \frac{1 \cdot (1-x)^2 - x \cdot 2(1-x)(-1)}{(1-x)^4} \\[4mm] =&\, \frac{(1-x) + 2x}{(1-x)^3} = \frac{1 + x}{(1-x)^3} \end{align*}

兩側同乘以 xx:

∑n=1∞n2xn=x(1+x)(1−x)3=x+x2(1−x)3— (2)\sum_{n=1}^{\infty} n^2 x^n = \frac{x(1 + x)}{(1-x)^3} = \frac{x + x^2}{(1-x)^3} \quad \text{--- (2)}

第三步:求級數 ∑n=1∞n3xn\sum_{n=1}^{\infty} n^3 x^n 的和

對式 (2) 兩邊關於 xx 第三次進行逐項求導:

∑n=1∞n3xn−1= ddx(x+x2(1−x)3)= (1+2x)(1−x)3−(x+x2)⋅3(1−x)2(−1)(1−x)6= (1+2x)(1−x)+3(x+x2)(1−x)4= (1+x−2x2)+(3x+3x2)(1−x)4= x2+4x+1(1−x)4\begin{align*} \sum_{n=1}^{\infty} n^3 x^{n-1} =&\, \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left( \frac{x + x^2}{(1-x)^3} \right) \\[4mm] =&\, \frac{(1+2x)(1-x)^3 - (x+x^2) \cdot 3(1-x)^2(-1)}{(1-x)^6} \\[4mm] =&\, \frac{(1+2x)(1-x) + 3(x+x^2)}{(1-x)^4} \\[4mm] =&\, \frac{(1 + x - 2x^2) + (3x + 3x^2)}{(1-x)^4} \\[4mm] =&\, \frac{x^2 + 4x + 1}{(1-x)^4} \end{align*}

兩側同乘以 xx:

∑n=1∞n3xn=x(x2+4x+1)(1−x)4\sum_{n=1}^{\infty} n^3 x^n = \frac{x(x^2 + 4x + 1)}{(1-x)^4}

結論: 當 ∣x∣<1|x| < 1 時,級數和為 x(x2+4x+1)(1−x)4\displaystyle \frac{x(x^2 + 4x + 1)}{(1-x)^4}(或寫作 x3+4x2+x(1−x)4\frac{x^3 + 4x^2 + x}{(1-x)^4})。


解法二:利用組合係數拆分法(降階求導法)

思路

展開
  1. 我們可以將高次係數 n3n^3 拆寫為遞降階乘(組合數係數形式)的線性組合: n3=n(n−1)(n−2)+An(n−1)+Bn+Cn^3 = n(n-1)(n-2) + An(n-1) + Bn + C
  2. 經展開比對係數:
    • n(n−1)(n−2)=n3−3n2+2nn(n-1)(n-2) = n^3 - 3n^2 + 2n。
    • 為了湊出 n3n^3,我們需要加上 3n23n^2。而 3n(n−1)=3n2−3n3n(n-1) = 3n^2 - 3n。
    • 目前為止: n(n−1)(n−2)+3n(n−1)=n3−nn(n-1)(n-2) + 3n(n-1) = n^3 - n。
    • 因此只需再加上 nn,即得恆等式: n3=n(n−1)(n−2)+3n(n−1)+nn^3 = n(n-1)(n-2) + 3n(n-1) + n
  3. 將此恆等式代回求和式中,可拆為三個易求導的級數: ∑n=1∞n3xn=∑n=3∞n(n−1)(n−2)xn+3∑n=2∞n(n−1)xn+∑n=1∞nxn\sum_{n=1}^{\infty} n^3 x^n = \sum_{n=3}^{\infty} n(n-1)(n-2)x^n + 3\sum_{n=2}^{\infty} n(n-1)x^n + \sum_{n=1}^{\infty} nx^n
  4. 提取對應的 x3,x2,xx^3, x^2, x 後,這三項可分別表示為幾何級數 f(x)=11−xf(x) = \frac{1}{1-x} 的三階、二階與一階導數。

答題過程

展開

我們將 n3n^3 進行多項式拆分:

n3=n(n−1)(n−2)+3n(n−1)+nn^3 = n(n-1)(n-2) + 3n(n-1) + n

將此拆分代入待求級數中:

∑n=1∞n3xn= ∑n=1∞[n(n−1)(n−2)+3n(n−1)+n]xn= ∑n=3∞n(n−1)(n−2)xn+3∑n=2∞n(n−1)xn+∑n=1∞nxn= x3∑n=3∞n(n−1)(n−2)xn−3+3x2∑n=2∞n(n−1)xn−2+x∑n=1∞nxn−1— (1)\begin{align*} \sum_{n=1}^{\infty} n^3 x^n =&\, \sum_{n=1}^{\infty} \Big[ n(n-1)(n-2) + 3n(n-1) + n \Big] x^n \\[4mm] =&\, \sum_{n=3}^{\infty} n(n-1)(n-2)x^n + 3\sum_{n=2}^{\infty} n(n-1)x^n + \sum_{n=1}^{\infty} nx^n \\[4mm] =&\, x^3 \sum_{n=3}^{\infty} n(n-1)(n-2)x^{n-3} + 3x^2 \sum_{n=2}^{\infty} n(n-1)x^{n-2} + x \sum_{n=1}^{\infty} nx^{n-1} \quad \text{--- (1)} \end{align*}

(注意:求和起點已根據消去零值項調整為 3,2,13, 2, 1。)


定義幾何級數函數:

f(x)=∑n=0∞xn=11−x(對於 ∣x∣<1)f(x) = \sum_{n=0}^{\infty} x^n = \frac{1}{1-x} \quad (\text{對於 } |x| < 1)

對其進行一階至三階求導:

  1. 一階導數: f′(x)=∑n=1∞nxn−1=ddx(1−x)−1=1(1−x)2f'(x) = \sum_{n=1}^{\infty} n x^{n-1} = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(1-x)^{-1} = \frac{1}{(1-x)^2}
  2. 二階導數: f′′(x)=∑n=2∞n(n−1)xn−2=ddx(1−x)−2=2(1−x)3f''(x) = \sum_{n=2}^{\infty} n(n-1) x^{n-2} = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}(1-x)^{-2} = \frac{2}{(1-x)^3}
  3. 三階導數: f′′′(x)=∑n=3∞n(n−1)(n−2)xn−3=ddx[2(1−x)−3]=6(1−x)4f'''(x) = \sum_{n=3}^{\infty} n(n-1)(n-2) x^{n-3} = \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x} \left[ 2(1-x)^{-3} \right] = \frac{6}{(1-x)^4}

將上述導數公式代回式 (1) 中:

∑n=1∞n3xn= x3f′′′(x)+3x2f′′(x)+xf′(x)= x3(6(1−x)4)+3x2(2(1−x)3)+x(1(1−x)2)\begin{align*} \sum_{n=1}^{\infty} n^3 x^n =&\, x^3 f'''(x) + 3x^2 f''(x) + x f'(x) \\[4mm] =&\, x^3 \left( \frac{6}{(1-x)^4} \right) + 3x^2 \left( \frac{2}{(1-x)^3} \right) + x \left( \frac{1}{(1-x)^2} \right) \end{align*}

將各分項通分,公分母為 (1−x)4(1-x)^4:

∑n=1∞n3xn= 6x3+6x2(1−x)+x(1−x)2(1−x)4= 6x3+(6x2−6x3)+x(1−2x+x2)(1−x)4= 6x2+(x−2x2+x3)(1−x)4= x3+4x2+x(1−x)4=x(x2+4x+1)(1−x)4\begin{align*} \sum_{n=1}^{\infty} n^3 x^n =&\, \frac{6x^3 + 6x^2(1-x) + x(1-x)^2}{(1-x)^4} \\[4mm] =&\, \frac{6x^3 + (6x^2 - 6x^3) + x(1 - 2x + x^2)}{(1-x)^4} \\[4mm] =&\, \frac{6x^2 + (x - 2x^2 + x^3)}{(1-x)^4} \\[4mm] =&\, \frac{x^3 + 4x^2 + x}{(1-x)^4} = \frac{x(x^2 + 4x + 1)}{(1-x)^4} \end{align*}

結論: 求得級數和為 x(x2+4x+1)(1−x)4\displaystyle \frac{x(x^2 + 4x + 1)}{(1-x)^4}。