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113 台綜大微積分(C) 第 7 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分C

113學年度 · 113微積分C · 第 7 題

題目

Problem

7. Find the interval of convergence of the series n=1n(x3)n2n(n2+1)\sum_{n = 1}^\infty \frac{n(x - 3)^n}{2^n(n^2 + 1)}. (10%)

解答

解法一

思路

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  1. 定義冪級數: 設級數第 nn 項為 an(x)=n(x3)n2n(n2+1)a_n(x) = \frac{n(x-3)^n}{2^n(n^2+1)}
  2. 第一步:使用比例審斂法求收斂半徑 RRlimnan+1(x)an(x)=limn(n+1)(x3)n+12n+1((n+1)2+1)2n(n2+1)n(x3)n=x32\lim_{n\to\infty} \left| \frac{a_{n+1}(x)}{a_n(x)} \right| = \lim_{n\to\infty} \left| \frac{(n+1)(x-3)^{n+1}}{2^{n+1}((n+1)^2+1)} \cdot \frac{2^n(n^2+1)}{n(x-3)^n} \right| = \frac{|x-3|}{2} 令其小於 1: x32<1    x3<2    1<x<5\frac{|x-3|}{2} < 1 \implies |x-3| < 2 \implies 1 < x < 5
  3. 第二步:分析兩個邊界端點的斂散性
    • 端點 x=1x = 1:代回原級數中得到交錯級數 n=1(1)nnn2+1\sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^n n}{n^2+1},使用交錯級數法判斷。
    • 端點 x=5x = 5:代回原級數中得到正項級數 n=1nn2+1\sum_{n=1}^\infty \frac{n}{n^2+1},使用極限比較審斂法與調和級數比較。
  4. 第三步:結合端點結論寫出收斂區間

答題過程

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設冪級數的一般項為:

an(x)=n(x3)n2n(n2+1)a_n(x) = \frac{n(x - 3)^n}{2^n(n^2 + 1)}

我們套用比例審斂法(Ratio Test):

limnan+1(x)an(x)=limn(n+1)(x3)n+12n+1((n+1)2+1)n(x3)n2n(n2+1)=limn(n+1nn2+1n2+2n+22n2n+1x3)=12x3\begin{align*} \lim_{n \to \infty} \left| \frac{a_{n+1}(x)}{a_n(x)} \right| =&\, \lim_{n \to \infty} \left| \frac{\frac{(n+1)(x-3)^{n+1}}{2^{n+1}\left((n+1)^2+1\right)}}{\frac{n(x-3)^n}{2^n(n^2+1)}} \right| \\[4mm] =&\, \lim_{n \to \infty} \left( \frac{n+1}{n} \cdot \frac{n^2+1}{n^2+2n+2} \cdot \frac{2^n}{2^{n+1}} \cdot |x - 3| \right) \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} |x - 3| \end{align*}

為使級數絕對收斂,必須滿足此極限小於 11

12x3<1    x3<2\frac{1}{2} |x - 3| < 1 \implies |x - 3| < 2 2<x3<2    1<x<5-2 < x - 3 < 2 \implies 1 < x < 5

因此,收斂半徑為 R=2R = 2,在開區間 (1,5)(1, 5) 內收斂。


我們接著個別檢驗邊界端點的斂散性:

  1. x=1x = 1: 代回原級數中,級數為:

    n=1n(13)n2n(n2+1)=n=1n(2)n2n(n2+1)=n=1(1)nnn2+1\sum_{n = 1}^\infty \frac{n(1 - 3)^n}{2^n(n^2 + 1)} = \sum_{n = 1}^\infty \frac{n(-2)^n}{2^n(n^2 + 1)} = \sum_{n = 1}^\infty \frac{(-1)^n n}{n^2 + 1}

    此為一個交錯級數。令 un=nn2+1>0u_n = \frac{n}{n^2 + 1} > 0。我們使用交錯級數審斂法(Leibniz Test):

    • 條件一limnun=limnnn2+1=0\displaystyle \lim_{n\to\infty} u_n = \lim_{n\to\infty} \frac{n}{n^2+1} = 0 (滿足)。
    • 條件二:檢驗數列 unu_n 是否單調遞減。我們考量函數 f(t)=tt2+1f(t) = \frac{t}{t^2+1} 的導數: f(t)=1(t2+1)t(2t)(t2+1)2=1t2(t2+1)2<0對於所有 t>1f'(t) = \frac{1(t^2+1) - t(2t)}{(t^2+1)^2} = \frac{1 - t^2}{(t^2+1)^2} < 0 \quad \text{對於所有 } t > 1 這說明數列 unu_nn=1n=1 起為單調遞減(滿足)。

    因此,級數在 x=1x = 1收斂

  2. x=5x = 5: 代回原級數中,級數為:

    n=1n(53)n2n(n2+1)=n=1n(2)n2n(n2+1)=n=1nn2+1\sum_{n = 1}^\infty \frac{n(5 - 3)^n}{2^n(n^2 + 1)} = \sum_{n = 1}^\infty \frac{n(2)^n}{2^n(n^2 + 1)} = \sum_{n = 1}^\infty \frac{n}{n^2 + 1}

    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=11n\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n} 進行比較:

    limnnn2+11n=limnn2n2+1=1>0\lim_{n \to \infty} \frac{\frac{n}{n^2+1}}{\frac{1}{n}} = \lim_{n \to \infty} \frac{n^2}{n^2 + 1} = 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=11n\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n} 發散,該級數在 x=5x = 5 處亦發散

綜合上述,收斂區間在 x=1x = 1 處為閉,在 x=5x = 5 處為開。

結論: 收斂區間為 [1,5)[1, 5)