題目
Problem
7. Find the interval of convergence of the series ∑n=1∞2n(n2+1)n(x−3)n. (10%)
解答
解法一
思路
展開
- 定義冪級數:
設級數第 n 項為 an(x)=2n(n2+1)n(x−3)n。
- 第一步:使用比例審斂法求收斂半徑 R:
limn→∞an(x)an+1(x)=limn→∞2n+1((n+1)2+1)(n+1)(x−3)n+1⋅n(x−3)n2n(n2+1)=2∣x−3∣
令其小於 1: 2∣x−3∣<1⟹∣x−3∣<2⟹1<x<5。
- 第二步:分析兩個邊界端點的斂散性:
- 端點 x=1:代回原級數中得到交錯級數 ∑n=1∞n2+1(−1)nn,使用交錯級數法判斷。
- 端點 x=5:代回原級數中得到正項級數 ∑n=1∞n2+1n,使用極限比較審斂法與調和級數比較。
- 第三步:結合端點結論寫出收斂區間。
答題過程
展開
設冪級數的一般項為:
an(x)=2n(n2+1)n(x−3)n
我們套用比例審斂法(Ratio Test):
n→∞liman(x)an+1(x)===n→∞lim2n(n2+1)n(x−3)n2n+1((n+1)2+1)(n+1)(x−3)n+1n→∞lim(nn+1⋅n2+2n+2n2+1⋅2n+12n⋅∣x−3∣)21∣x−3∣
為使級數絕對收斂,必須滿足此極限小於 1:
21∣x−3∣<1⟹∣x−3∣<2
−2<x−3<2⟹1<x<5
因此,收斂半徑為 R=2,在開區間 (1,5) 內收斂。
我們接著個別檢驗邊界端點的斂散性:
-
當 x=1 時:
代回原級數中,級數為:
n=1∑∞2n(n2+1)n(1−3)n=n=1∑∞2n(n2+1)n(−2)n=n=1∑∞n2+1(−1)nn
此為一個交錯級數。令 un=n2+1n>0。我們使用交錯級數審斂法(Leibniz Test):
- 條件一: n→∞limun=n→∞limn2+1n=0 (滿足)。
- 條件二:檢驗數列 un 是否單調遞減。我們考量函數 f(t)=t2+1t 的導數:
f′(t)=(t2+1)21(t2+1)−t(2t)=(t2+1)21−t2<0對於所有 t>1
這說明數列 un 自 n=1 起為單調遞減(滿足)。
因此,級數在 x=1 處收斂。
-
當 x=5 時:
代回原級數中,級數為:
n=1∑∞2n(n2+1)n(5−3)n=n=1∑∞2n(n2+1)n(2)n=n=1∑∞n2+1n
我們使用極限比較審斂法(Limit Comparison Test),將其與發散的調和級數 ∑n=1∞n1 進行比較:
n→∞limn1n2+1n=n→∞limn2+1n2=1>0
因為此比值為正實數極限,所以兩級數具有相同的斂散性。
由於 ∑n=1∞n1 發散,該級數在 x=5 處亦發散。
綜合上述,收斂區間在 x=1 處為閉,在 x=5 處為開。
結論:
收斂區間為 [1,5)。