題目
Problem
6. Find the interval of convergence of the power series ∑n=1∞nxn. (10%)
解答
解法一
思路
展開
- 定義一般項:
設級數一般項為 an(x)=nxn。
- 第一步:使用比值審斂法尋找收斂半徑 R:
limn→∞an(x)an+1(x)=limn→∞n+1xn+1⋅xnn=∣x∣limn→∞n+1n=∣x∣
為使級數絕對收斂,必須滿足 ∣x∣<1,所以收斂半徑 R=1。
- 第二步:分析兩個邊界端點的收斂性:
- 端點 x=−1:原級數化為 ∑n=1∞n(−1)n,這是一個交錯級數,可用交錯級數審斂法判斷。
- 端點 x=1:原級數化為 ∑n=1∞n1,這是一個 p 級數,可用 p 級數審斂法判斷。
- 第三步:結合端點結論寫出收斂區間。
答題過程
展開
設冪級數的第 n 項為:
an(x)=nxn
我們套用比值審斂法(Ratio Test),計算項與項之間比值的極限:
n→∞liman(x)an+1(x)=n→∞limnxnn+1xn+1=n→∞lim(n+1n⋅∣x∣)=∣x∣
為使冪級數收斂,必須滿足此比值小於 1:
∣x∣<1⟹−1<x<1
這表示級數的收斂半徑為 R=1,在開區間 (−1,1) 內絕對收斂。
接下來,我們需要個別檢驗端點 x=−1 與 x=1 處級數的斂散性:
-
當 x=−1 時:
代回原級數中,級數為:
n=1∑∞n(−1)n
此為一個交錯級數。令 un=n1>0。我們檢驗交錯級數審斂法(Leibniz Test)的兩個條件:
- n→∞limun=n→∞limn1=0 (滿足條件一)
- 數列 un 為單調遞減,即 un+1=n+11<n1=un (滿足條件二)
因此,級數在 x=−1 處收斂(為條件收斂)。
-
當 x=1 時:
代回原級數中,級數為:
n=1∑∞n1=n=1∑∞n1/21
這是一個 p 級數,其中 p=21。
因為 p=21≤1,根據 p 級數審斂法,該級數在 x=1 處發散。
綜合上述端點的討論,該冪級數的收斂範圍在左側包含 x=−1,在右側不包含 x=1。
結論:
收斂區間為 [−1,1)。