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
- 本題要求冪級數的收斂半徑 R 與收斂區間。
- 使用比例測試 (Ratio Test):
limn→∞anan+1<1
求出使得級數絕對收斂的 x 範圍。
- 第一步:求收斂半徑:
對一般項 un=n(−1)n2nxn 進行比例測試,求出極限為 2∣x∣。令其小於 1,得 ∣x∣<1/2,故收斂半徑 R=1/2。
- 第二步:檢查邊界點:
- 當 x=1/2 時,代入原級數判定收斂性(使用交錯級數審斂法)。
- 當 x=−1/2 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)=n(−1)n2nxn。我們應用比例測試:
n→∞limun(x)un+1(x)===n→∞limn(−1)n2nxnn+1(−1)n+12n+1xn+1n→∞lim2∣x∣n+1n2∣x∣⋅1=2∣x∣
根據比例測試,當 2∣x∣<1,即 ∣x∣<21 時,級數絕對收斂。
因此,收斂半徑為:
R=21
接著,我們必須單獨測試兩個端點 x=±21 的收斂性:
-
若 x=−21:
代回原級數得:
n=1∑∞n(−1)n2n(−21)n=n=1∑∞n(−1)n2n2n(−1)n=n=1∑∞n1
這是一個 p-級數(其中 p=21≤1),故級數發散。
-
若 x=21:
代回原級數得:
n=1∑∞n(−1)n2n(21)n=n=1∑∞n(−1)n
這是一個交錯級數 ∑(−1)nbn,其中 bn=n1。
由於:
- bn=n1>0
- limn→∞bn=0
- bn+1≤bn 對所有 n≥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=−21 處發散,在 x=21 處收斂。
因此,收斂區間為:
(−21,21].