題目
Problem
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(a) For the series ∑n=0∞2n+1(−1)n(x−1)2n+1, find its radius and interval of convergence.
Then identify the values of x for which the series converges: \[2mm]
(b) absolutely; \[2mm]
(c) conditionally.
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解答
解法一
思路
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第 (a) 小題:求收斂半徑與收斂區間
- 我們令第 n 項為 an(x)=2n+1(−1)n(x−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=limn→∞an(x)an+1(x)=limn→∞2n+32n+1∣x−1∣2=∣x−1∣2
令 L<1⟹∣x−1∣2<1⟹∣x−1∣<1,解得 0<x<2。
- 這說明收斂中心為 1,收斂半徑為 R=1。
- 端點判定:我們需單獨代入 x=0 與 x=2。
- x=0⟹∑2n+1(−1)n+1(交錯級數,收斂)。
- x=2⟹∑2n+1(−1)n(交錯級數,收斂)。
- 因此收斂區間為 [0,2]。
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第 (b) 小題:求絕對收斂的值域
- 根據比值審斂法,當 L<1 即 ∣x−1∣<1⟹x∈(0,2) 時,級數絕對收斂。
- 對於端點 x=0 和 x=2,其絕對值級數均為 ∑2n+11,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<2。
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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=0 與 x=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=0 與 x=2。
答題過程
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第 (a) 小題:尋找收斂半徑與收斂區間
我們令冪級數的第 n 項為:
an(x)=2n+1(−1)n(x−1)2n+1
我們使用比值審斂法(Ratio Test),計算比值的絕對值在 n→∞ 時的極限:
n→∞liman(x)an+1(x)====n→∞lim2n+1(−1)n(x−1)2n+12n+3(−1)n+1(x−1)2n+3n→∞lim(∣x−1∣2⋅2n+32n+1)∣x−1∣2⋅n→∞lim2n+32n+1∣x−1∣2⋅1=∣x−1∣2
根據比值審斂法,級數絕對收斂的條件為極限值小於 1:
∣x−1∣2<1⟹∣x−1∣<1⟹−1<x−1<1⟹0<x<2
因此,該冪級數以 c=1 為收斂中心,其收斂半徑為:
R=1
接著,我們單獨判定端點的收斂性:
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端點 x=0:
將 x=0 代入原級數:
n=0∑∞2n+1(−1)n(0−1)2n+1=n=0∑∞2n+1(−1)n(−1)2n+1=n=0∑∞2n+1(−1)n+1
這是一個交錯級數。令 bn=2n+11>0:
- bn 為單調遞減。
- n→∞limbn=n→∞lim2n+11=0。
根據交錯級數審斂法(Alternating Series Test),此級數收斂。
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端點 x=2:
將 x=2 代入原級數:
n=0∑∞2n+1(−1)n(2−1)2n+1=n=0∑∞2n+1(−1)n(1)2n+1=n=0∑∞2n+1(−1)n
這也是一個交錯級數。同理,令 bn=2n+11>0 且滿足遞減趨於 0,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 0≤x≤2)
第 (b) 小題:識別絕對收斂的 x 值範圍
根據比值審斂法:
當 ∣x−1∣<1 即 x∈(0,2) 時,級數絕對收斂。
我們需進一步檢查端點 x=0 與 x=2 是否滿足絕對收斂:
取這兩個端點級數的絕對值:
n=0∑∞2n+1(−1)n=n=0∑∞2n+11
因為 n→∞lim1/n1/(2n+1)=21>0,且諧和級數 ∑n1 發散,根據極限比較法,絕對值級數 ∑n=0∞2n+11 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 x 範圍為:
x∈(0,2)(或寫成 0<x<2)
第 (c) 小題:識別條件收斂的 x 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=0 與 x=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 x 值為:
x=0與x=2