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114 政大微積分 Part B 第 4 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分

114學年度 · 114微積分 · 第 9 題

題目

Problem

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(a) For the series n=0(1)n(x1)2n+12n+1\sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n(x-1)^{2n+1}}{2n+1}, find its radius and interval of convergence.

Then identify the values of xx for which the series converges: \[2mm] (b) absolutely; \[2mm] (c) conditionally.

(9) 見解答\underline{\quad\text{見解答}\quad}. (10%)

解答

解法一

思路

展開
  1. 第 (a) 小題:求收斂半徑與收斂區間

    • 我們令第 nn 項為 an(x)=(1)n(x1)2n+12n+1a_n(x) = \frac{(-1)^n (x-1)^{2n+1}}{2n+1}
    • 使用比值審斂法 (Ratio Test) 來判斷絕對收斂的初步範圍: L=limnan+1(x)an(x)=limn2n+12n+3x12=x12L = \lim_{n\to\infty} \left| \frac{a_{n+1}(x)}{a_n(x)} \right| = \lim_{n\to\infty} \frac{2n+1}{2n+3} |x-1|^2 = |x-1|^2L<1    x12<1    x1<1L < 1 \implies |x-1|^2 < 1 \implies |x-1| < 1,解得 0<x<20 < x < 2
    • 這說明收斂中心為 11,收斂半徑為 R=1R = 1
    • 端點判定:我們需單獨代入 x=0x=0x=2x=2
      • x=0    (1)n+12n+1x=0 \implies \sum \frac{(-1)^{n+1}}{2n+1}(交錯級數,收斂)。
      • x=2    (1)n2n+1x=2 \implies \sum \frac{(-1)^n}{2n+1}(交錯級數,收斂)。
      • 因此收斂區間為 [0,2][0, 2]
  2. 第 (b) 小題:求絕對收斂的值域

    • 根據比值審斂法,當 L<1L < 1x1<1    x(0,2)|x-1| < 1 \implies x \in (0, 2) 時,級數絕對收斂。
    • 對於端點 x=0x=0x=2x=2,其絕對值級數均為 12n+1\sum \frac{1}{2n+1},這與諧和級數同階(發散),因此端點處不屬於絕對收斂。
    • 故絕對收斂範圍為 0<x<20 < x < 2
  3. 第 (c) 小題:求條件收斂的值域

    • 條件收斂的定義是級數本身收斂,但絕對值級數發散。
    • 根據前兩小步的分析,端點 x=0x=0x=2x=2 本身收斂,但取絕對值後發散,因此正是條件收斂點。
    • 故條件收斂值為 x=0x=0x=2x=2

答題過程

展開

第 (a) 小題:尋找收斂半徑與收斂區間

我們令冪級數的第 nn 項為:

an(x)=(1)n(x1)2n+12n+1a_n(x) = \frac{(-1)^n(x-1)^{2n+1}}{2n+1}

我們使用比值審斂法(Ratio Test),計算比值的絕對值在 nn \to \infty 時的極限:

limnan+1(x)an(x)=limn(1)n+1(x1)2n+32n+3(1)n(x1)2n+12n+1=limn(x122n+12n+3)=x12limn2n+12n+3=x121=x12\begin{align*} \lim_{n\to\infty} \left| \frac{a_{n+1}(x)}{a_n(x)} \right| =&\, \lim_{n\to\infty} \left| \frac{\frac{(-1)^{n+1}(x-1)^{2n+3}}{2n+3}}{\frac{(-1)^n(x-1)^{2n+1}}{2n+1}} \right| \\[4mm] =&\, \lim_{n\to\infty} \left( |x-1|^2 \cdot \frac{2n+1}{2n+3} \right) \\[4mm] =&\, |x-1|^2 \cdot \lim_{n\to\infty} \frac{2n+1}{2n+3} \\[4mm] =&\, |x-1|^2 \cdot 1 = |x-1|^2 \end{align*}

根據比值審斂法,級數絕對收斂的條件為極限值小於 11

x12<1    x1<1    1<x1<1    0<x<2|x-1|^2 < 1 \implies |x-1| < 1 \implies -1 < x-1 < 1 \implies 0 < x < 2

因此,該冪級數以 c=1c = 1 為收斂中心,其收斂半徑為:

R=1R = 1

接著,我們單獨判定端點的收斂性:

  1. 端點 x=0x = 0: 將 x=0x = 0 代入原級數:

    n=0(1)n(01)2n+12n+1=n=0(1)n(1)2n+12n+1=n=0(1)n+12n+1\sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n(0-1)^{2n+1}}{2n+1} = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n(-1)^{2n+1}}{2n+1} = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^{n+1}}{2n+1}

    這是一個交錯級數。令 bn=12n+1>0b_n = \frac{1}{2n+1} > 0

    • bnb_n 為單調遞減。
    • limnbn=limn12n+1=0\displaystyle \lim_{n\to\infty} b_n = \lim_{n\to\infty} \frac{1}{2n+1} = 0。 根據交錯級數審斂法(Alternating Series Test),此級數收斂
  2. 端點 x=2x = 2: 將 x=2x = 2 代入原級數:

    n=0(1)n(21)2n+12n+1=n=0(1)n(1)2n+12n+1=n=0(1)n2n+1\sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n(2-1)^{2n+1}}{2n+1} = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n(1)^{2n+1}}{2n+1} = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n}{2n+1}

    這也是一個交錯級數。同理,令 bn=12n+1>0b_n = \frac{1}{2n+1} > 0 且滿足遞減趨於 00,由交錯級數審斂法判定為收斂

綜上所述,兩個端點皆收斂,故收斂區間為:

[0,2](或寫成 0x2)[0, 2] \quad \big(\text{或寫成 } 0 \le x \le 2\big)

第 (b) 小題:識別絕對收斂的 xx 值範圍

根據比值審斂法: 當 x1<1|x-1| < 1x(0,2)x \in (0, 2) 時,級數絕對收斂。

我們需進一步檢查端點 x=0x = 0x=2x = 2 是否滿足絕對收斂: 取這兩個端點級數的絕對值:

n=0(1)n2n+1=n=012n+1\sum_{n=0}^{\infty} \left| \frac{(-1)^n}{2n+1} \right| = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{2n+1}

因為 limn1/(2n+1)1/n=12>0\displaystyle \lim_{n\to\infty} \frac{1/(2n+1)}{1/n} = \frac{1}{2} > 0,且諧和級數 1n\sum \frac{1}{n} 發散,根據極限比較法,絕對值級數 n=012n+1\sum_{n=0}^{\infty} \frac{1}{2n+1} 屬於發散級數。 因此,端點處並非絕對收斂。

結論: 絕對收斂(absolutely convergent)的 xx 範圍為:

x(0,2)(或寫成 0<x<2)x \in (0, 2) \quad \big(\text{或寫成 } 0 < x < 2\big)

第 (c) 小題:識別條件收斂的 xx 值範圍

條件收斂的定義為級數本身收斂,但其絕對值級數發散。 由 (a) 小題與 (b) 小題的分析可知,級數在端點 x=0x = 0x=2x = 2 處本身是收斂的,但其絕對值級數在此發散。

結論: 條件收斂(conditionally convergent)的 xx 值為:

x=0x=2x = 0 \quad \text{與} \quad x = 2