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114 台綜大微積分 C 第 3 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分 C

114學年度 · 114微積分C · 第 3 題

題目

Problem

Find the exact value of the infinite sum

∑k=3∞(k+1)(−1)kk!.\sum_{k=3}^{\infty} \frac{(k+1)(-1)^k}{k!}.

(3) 級數和為 見解答‾\underline{\quad\text{見解答}\quad}. (10%)

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求計算級數和 S=∑k=3∞(k+1)(−1)kk!S = \sum_{k=3}^{\infty} \frac{(k+1)(-1)^k}{k!}。
  2. 觀察分母的 k!k! 與交錯項 (−1)k(-1)^k,這讓我們聯想到指數函數 exe^x 在 x=−1x=-1 處的泰勒展開式: ex=∑k=0∞xkk!  ⟹  e−1=∑k=0∞(−1)kk!e^x = \sum_{k=0}^{\infty} \frac{x^k}{k!} \implies e^{-1} = \sum_{k=0}^{\infty} \frac{(-1)^k}{k!}
  3. 我們可以將分子 k+1k+1 拆開,將級數寫成兩個已知級數的和: k+1k!=kk!+1k!=1(k−1)!+1k!\frac{k+1}{k!} = \frac{k}{k!} + \frac{1}{k!} = \frac{1}{(k-1)!} + \frac{1}{k!}
  4. 這樣一來,原級數可拆分為兩部分: S=∑k=3∞(−1)k(k−1)!+∑k=3∞(−1)kk!S = \sum_{k=3}^{\infty} \frac{(-1)^k}{(k-1)!} + \sum_{k=3}^{\infty} \frac{(-1)^k}{k!}
  5. 計算第一部分: 我們令 j=k−1j = k - 1,當 kk 從 33 變到 ∞\infty 時, jj 從 22 變到 ∞\infty: ∑k=3∞(−1)k(k−1)!=∑j=2∞(−1)j+1j!=−∑j=2∞(−1)jj!\sum_{k=3}^{\infty} \frac{(-1)^k}{(k-1)!} = \sum_{j=2}^{\infty} \frac{(-1)^{j+1}}{j!} = -\sum_{j=2}^{\infty} \frac{(-1)^j}{j!} 利用基本展開式: ∑j=2∞(−1)jj!=e−1−(−1)00!−(−1)11!=e−1−1−(−1)=e−1\sum_{j=2}^{\infty} \frac{(-1)^j}{j!} = e^{-1} - \frac{(-1)^0}{0!} - \frac{(-1)^1}{1!} = e^{-1} - 1 - (-1) = e^{-1} 所以第一部分值為 −e−1-e^{-1}。
  6. 計算第二部分: ∑k=3∞(−1)kk!=e−1−(−1)00!−(−1)11!−(−1)22!=e−1−1+1−12=e−1−12\sum_{k=3}^{\infty} \frac{(-1)^k}{k!} = e^{-1} - \frac{(-1)^0}{0!} - \frac{(-1)^1}{1!} - \frac{(-1)^2}{2!} = e^{-1} - 1 + 1 - \frac{1}{2} = e^{-1} - \frac{1}{2}
  7. 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 exe^x 的麥克勞林展開式為:

ex=∑n=0∞xnn!=1+x+x22!+x33!+…e^x = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{x^n}{n!} = 1 + x + \frac{x^2}{2!} + \frac{x^3}{3!} + \dots

將其帶入 x=−1x = -1:

e−1=∑n=0∞(−1)nn!=1−1+12−16+…— (1)e^{-1} = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n}{n!} = 1 - 1 + \frac{1}{2} - \frac{1}{6} + \dots \quad \text{--- (1)}

現在,我們將待求級數的一般項進行拆分:

(k+1)(−1)kk!=(−1)k(kk!+1k!)=(−1)k(k−1)!+(−1)kk!\frac{(k+1)(-1)^k}{k!} = (-1)^k \left( \frac{k}{k!} + \frac{1}{k!} \right) = \frac{(-1)^k}{(k-1)!} + \frac{(-1)^k}{k!}

因此,原級數和可拆成兩個無窮級數之和:

S=∑k=3∞(k+1)(−1)kk!=∑k=3∞(−1)k(k−1)!+∑k=3∞(−1)kk!— (2)S = \sum_{k=3}^{\infty} \frac{(k+1)(-1)^k}{k!} = \sum_{k=3}^{\infty} \frac{(-1)^k}{(k-1)!} + \sum_{k=3}^{\infty} \frac{(-1)^k}{k!} \quad \text{--- (2)}

我們分別計算這兩部分級數:

  1. 計算第一部分級數: 我們引入變數代換,令 j=k−1j = k-1。當 kk 從 33 開始時, jj 從 22 開始:

    ∑k=3∞(−1)k(k−1)!=∑j=2∞(−1)j+1j!=−∑j=2∞(−1)jj!\sum_{k=3}^{\infty} \frac{(-1)^k}{(k-1)!} = \sum_{j=2}^{\infty} \frac{(-1)^{j+1}}{j!} = -\sum_{j=2}^{\infty} \frac{(-1)^j}{j!}

    根據式 (1) 的定義,從 j=2j=2 開始的級數和為:

    ∑j=2∞(−1)jj!=e−1−((−1)00!+(−1)11!)=e−1−(1−1)=e−1\sum_{j=2}^{\infty} \frac{(-1)^j}{j!} = e^{-1} - \left( \frac{(-1)^0}{0!} + \frac{(-1)^1}{1!} \right) = e^{-1} - (1 - 1) = e^{-1}

    故第一部分為:

    −∑j=2∞(−1)jj!=−e−1-\sum_{j=2}^{\infty} \frac{(-1)^j}{j!} = -e^{-1}
  2. 計算第二部分級數: 根據式 (1) 的定義,從 k=3k=3 開始的級數和為:

    ∑k=3∞(−1)kk!=e−1−((−1)00!+(−1)11!+(−1)22!)=e−1−(1−1+12)=e−1−12\sum_{k=3}^{\infty} \frac{(-1)^k}{k!} = e^{-1} - \left( \frac{(-1)^0}{0!} + \frac{(-1)^1}{1!} + \frac{(-1)^2}{2!} \right) = e^{-1} - \left( 1 - 1 + \frac{1}{2} \right) = e^{-1} - \frac{1}{2}

將這兩部分結果代回式 (2):

S=−e−1+(e−1−12)=−12S = -e^{-1} + \left( e^{-1} - \frac{1}{2} \right) = -\frac{1}{2}

結論: 級數和為 −12-\frac{1}{2}。