題目
Problem
Find the exact value of the infinite sum
k=3∑∞k!(k+1)(−1)k.
(3) 級數和為 見解答. (10%)
解答
解法一
思路
展開
- 本題要求計算級數和 S=∑k=3∞k!(k+1)(−1)k。
- 觀察分母的 k! 與交錯項 (−1)k,這讓我們聯想到指數函數 ex 在 x=−1 處的泰勒展開式:
ex=∑k=0∞k!xk⟹e−1=∑k=0∞k!(−1)k
- 我們可以將分子 k+1 拆開,將級數寫成兩個已知級數的和:
k!k+1=k!k+k!1=(k−1)!1+k!1
- 這樣一來,原級數可拆分為兩部分:
S=∑k=3∞(k−1)!(−1)k+∑k=3∞k!(−1)k
- 計算第一部分:
我們令 j=k−1,當 k 從 3 變到 ∞ 時, j 從 2 變到 ∞:
∑k=3∞(k−1)!(−1)k=∑j=2∞j!(−1)j+1=−∑j=2∞j!(−1)j
利用基本展開式:
∑j=2∞j!(−1)j=e−1−0!(−1)0−1!(−1)1=e−1−1−(−1)=e−1
所以第一部分值為 −e−1。
- 計算第二部分:
∑k=3∞k!(−1)k=e−1−0!(−1)0−1!(−1)1−2!(−1)2=e−1−1+1−21=e−1−21
- 將兩部分相加,即可求得最簡化的常數值。
答題過程
展開
已知指數函數 ex 的麥克勞林展開式為:
ex=n=0∑∞n!xn=1+x+2!x2+3!x3+…
將其帶入 x=−1:
e−1=n=0∑∞n!(−1)n=1−1+21−61+…— (1)
現在,我們將待求級數的一般項進行拆分:
k!(k+1)(−1)k=(−1)k(k!k+k!1)=(k−1)!(−1)k+k!(−1)k
因此,原級數和可拆成兩個無窮級數之和:
S=k=3∑∞k!(k+1)(−1)k=k=3∑∞(k−1)!(−1)k+k=3∑∞k!(−1)k— (2)
我們分別計算這兩部分級數:
-
計算第一部分級數:
我們引入變數代換,令 j=k−1。當 k 從 3 開始時, j 從 2 開始:
k=3∑∞(k−1)!(−1)k=j=2∑∞j!(−1)j+1=−j=2∑∞j!(−1)j
根據式 (1) 的定義,從 j=2 開始的級數和為:
j=2∑∞j!(−1)j=e−1−(0!(−1)0+1!(−1)1)=e−1−(1−1)=e−1
故第一部分為:
−j=2∑∞j!(−1)j=−e−1
-
計算第二部分級數:
根據式 (1) 的定義,從 k=3 開始的級數和為:
k=3∑∞k!(−1)k=e−1−(0!(−1)0+1!(−1)1+2!(−1)2)=e−1−(1−1+21)=e−1−21
將這兩部分結果代回式 (2):
S=−e−1+(e−1−21)=−21
結論:
級數和為 −21。