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113 台綜大微積分(A) 第 6 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分A

113學年度 · 113微積分A · 第 6 題

題目

Problem

6. Find the interval of convergence of the power series n=1xnn\sum_{n = 1}^\infty \frac{x^n}{\sqrt{n}}. (10%)

解答

解法一

思路

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  1. 定義一般項: 設級數一般項為 an(x)=xnna_n(x) = \frac{x^n}{\sqrt{n}}
  2. 第一步:使用比值審斂法尋找收斂半徑 RRlimnan+1(x)an(x)=limnxn+1n+1nxn=xlimnnn+1=x\lim_{n \to \infty} \left| \frac{a_{n+1}(x)}{a_n(x)} \right| = \lim_{n \to \infty} \left| \frac{x^{n+1}}{\sqrt{n+1}} \cdot \frac{\sqrt{n}}{x^n} \right| = |x| \lim_{n \to \infty} \sqrt{\frac{n}{n+1}} = |x| 為使級數絕對收斂,必須滿足 x<1|x| < 1,所以收斂半徑 R=1R = 1
  3. 第二步:分析兩個邊界端點的收斂性
    • 端點 x=1x = -1:原級數化為 n=1(1)nn\sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^n}{\sqrt{n}},這是一個交錯級數,可用交錯級數審斂法判斷。
    • 端點 x=1x = 1:原級數化為 n=11n\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{\sqrt{n}},這是一個 pp 級數,可用 pp 級數審斂法判斷。
  4. 第三步:結合端點結論寫出收斂區間

答題過程

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設冪級數的第 nn 項為:

an(x)=xnna_n(x) = \frac{x^n}{\sqrt{n}}

我們套用比值審斂法(Ratio Test),計算項與項之間比值的極限:

limnan+1(x)an(x)=limnxn+1n+1xnn=limn(nn+1x)=x\lim_{n \to \infty} \left| \frac{a_{n+1}(x)}{a_n(x)} \right| = \lim_{n \to \infty} \left| \frac{\frac{x^{n+1}}{\sqrt{n+1}}}{\frac{x^n}{\sqrt{n}}} \right| = \lim_{n \to \infty} \left( \sqrt{\frac{n}{n+1}} \cdot |x| \right) = |x|

為使冪級數收斂,必須滿足此比值小於 11

x<1    1<x<1|x| < 1 \implies -1 < x < 1

這表示級數的收斂半徑為 R=1R = 1,在開區間 (1,1)(-1, 1) 內絕對收斂。


接下來,我們需要個別檢驗端點 x=1x = -1x=1x = 1 處級數的斂散性:

  1. x=1x = -1: 代回原級數中,級數為:

    n=1(1)nn\sum_{n = 1}^\infty \frac{(-1)^n}{\sqrt{n}}

    此為一個交錯級數。令 un=1n>0u_n = \frac{1}{\sqrt{n}} > 0。我們檢驗交錯級數審斂法(Leibniz Test)的兩個條件:

    • limnun=limn1n=0\displaystyle \lim_{n \to \infty} u_n = \lim_{n \to \infty} \frac{1}{\sqrt{n}} = 0 (滿足條件一)
    • 數列 unu_n 為單調遞減,即 un+1=1n+1<1n=unu_{n+1} = \frac{1}{\sqrt{n+1}} < \frac{1}{\sqrt{n}} = u_n (滿足條件二)

    因此,級數在 x=1x = -1收斂(為條件收斂)。

  2. x=1x = 1: 代回原級數中,級數為:

    n=11n=n=11n1/2\sum_{n = 1}^\infty \frac{1}{\sqrt{n}} = \sum_{n = 1}^\infty \frac{1}{n^{1/2}}

    這是一個 pp 級數,其中 p=12p = \frac{1}{2}。 因為 p=121p = \frac{1}{2} \le 1,根據 pp 級數審斂法,該級數在 x=1x = 1發散

綜合上述端點的討論,該冪級數的收斂範圍在左側包含 x=1x = -1,在右側不包含 x=1x = 1

結論: 收斂區間為 [1,1)[-1, 1)