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112 台綜大微積分(A) 第 5 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分A

112學年度 · 112微積分A · 第 5 題

題目

Problem

5. Find the radius of convergence and interval of convergence of the power series

\sum_{n=1}^{\infty} rac{(-1)^n 2^n}{\sqrt{n}} x^n \,. \quad (10\%)

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求冪級數的收斂半徑 RR 與收斂區間。
  2. 使用比例測試 (Ratio Test): lim⁡n→∞∣an+1an∣<1\lim_{n \to \infty} \left| \frac{a_{n+1}}{a_n} \right| < 1 求出使得級數絕對收斂的 xx 範圍。
  3. 第一步:求收斂半徑: 對一般項 un=(−1)n2nnxnu_n = \frac{(-1)^n 2^n}{\sqrt{n}} x^n 進行比例測試,求出極限為 2∣x∣2|x|。令其小於 1,得 ∣x∣<1/2|x| < 1/2,故收斂半徑 R=1/2R = 1/2。
  4. 第二步:檢查邊界點:
    • 當 x=1/2x = 1/2 時,代入原級數判定收斂性(使用交錯級數審斂法)。
    • 當 x=−1/2x = -1/2 時,代入原級數判定收斂性(使用 p-級數審斂法)。

答題過程

展開

設級數的一般項為 un(x)=(−1)n2nnxnu_n(x) = \frac{(-1)^n 2^n}{\sqrt{n}} x^n。我們應用比例測試:

lim⁡n→∞∣un+1(x)un(x)∣= lim⁡n→∞∣(−1)n+12n+1n+1xn+1(−1)n2nnxn∣= lim⁡n→∞2∣x∣nn+1= 2∣x∣⋅1=2∣x∣\begin{align*} \lim_{n \to \infty} \left| \frac{u_{n+1}(x)}{u_n(x)} \right| =&\, \lim_{n \to \infty} \left| \frac{\frac{(-1)^{n+1} 2^{n+1}}{\sqrt{n+1}} x^{n+1}}{\frac{(-1)^n 2^n}{\sqrt{n}} x^n} \right| \\[4mm] =&\, \lim_{n \to \infty} 2|x| \sqrt{\frac{n}{n+1}} \\[4mm] =&\, 2|x| \cdot 1 = 2|x| \end{align*}

根據比例測試,當 2∣x∣<12|x| < 1,即 ∣x∣<12|x| < \frac{1}{2} 時,級數絕對收斂。 因此,收斂半徑為:

R=12R = \frac{1}{2}

接著,我們必須單獨測試兩個端點 x=±12x = \pm \frac{1}{2} 的收斂性:

  1. 若 x=−12x = -\frac{1}{2}: 代回原級數得:

    ∑n=1∞(−1)n2nn(−12)n=∑n=1∞(−1)n2nn(−1)n2n=∑n=1∞1n\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^n 2^n}{\sqrt{n}} \left(-\frac{1}{2}\right)^n = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^n 2^n}{\sqrt{n}} \frac{(-1)^n}{2^n} = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{\sqrt{n}}

    這是一個 pp-級數(其中 p=12≤1p = \frac{1}{2} \le 1),故級數發散。

  2. 若 x=12x = \frac{1}{2}: 代回原級數得:

    ∑n=1∞(−1)n2nn(12)n=∑n=1∞(−1)nn\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^n 2^n}{\sqrt{n}} \left(\frac{1}{2}\right)^n = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^n}{\sqrt{n}}

    這是一個交錯級數 ∑(−1)nbn\sum (-1)^n b_n,其中 bn=1nb_n = \frac{1}{\sqrt{n}}。 由於:

    • bn=1n>0b_n = \frac{1}{\sqrt{n}} > 0
    • lim⁡n→∞bn=0\lim_{n \to \infty} b_n = 0
    • bn+1≤bnb_{n+1} \le b_n 對所有 n≥1n \ge 1 恆成立 根據交錯級數審斂法 (Alternating Series Test),該級數收斂。

綜合上述,級數在 x=−12x = -\frac{1}{2} 處發散,在 x=12x = \frac{1}{2} 處收斂。 因此,收斂區間為:

(−12,12] .\left(-\frac{1}{2}, \frac{1}{2}\right] \,.