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113 台聯大微積分(A3/A4/A6) 第 9 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A3/A4/A6

113學年度 · 113微積分A3/A4/A6 · 第 9 題

題目

Problem

乙、計算、證明題:共3題,每題12分,共36分。須詳細寫出計算及證明過程,否則不予計分。

  1. (a) (6分) Find the radius of convergence of the power series

    ∑n=0∞(−1)nxn32n(2n)! .\sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n x^n}{3^{2n}(2n)!} \,.

    Then find the sum of the series ∑n=0∞(−1)nπn32n(2n)!\displaystyle \sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n \pi^n}{3^{2n}(2n)!}.

    (b) (6分) Determine whether the series ∑n=1∞(−1)nn(1+ln⁡2n)\displaystyle \sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^n}{n(1 + \ln^2 n)} is absolutely convergent, conditionally convergent, or divergent.

解答

解法一

思路

展開

本題分為兩個小問,分別探討冪級數與交錯級數的斂散性質。

(a) 求冪級數的收斂半徑與特定級數和

  • 設第 nn 項為 an(x)=(−1)nxn9n(2n)!a_n(x) = \frac{(-1)^n x^n}{9^n (2n)!}。
  • 利用比例審斂法求比值極限,得到收斂半徑為 ∞\infty。
  • 觀察級數和形式 ∑(−1)n(π/3)2n(2n)!\sum \frac{(-1)^n (\sqrt{\pi}/3)^{2n}}{(2n)!},這正好是餘弦函數 cos⁡y\cos y 的麥克勞林展開式,其中 y=π3y = \frac{\sqrt{\pi}}{3}。

(b) 判斷交錯級數的收斂類別

  • 要判斷是否為絕對收斂 (Absolutely Convergent),首先需要對級數的絕對值 ∑1n(1+ln⁡2n)\sum \frac{1}{n(1 + \ln^2 n)} 進行檢驗。
  • 對應函數 f(x)=1x(1+ln⁡2x)f(x) = \frac{1}{x(1 + \ln^2 x)} 在 x≥1x \ge 1 為正、連續且單調遞減。
  • 套用積分審斂法,代換 u=ln⁡xu = \ln x 計算廣義積分。若積分收斂,則原級數絕對收斂。

答題過程

展開

(a) 求解收斂半徑與級數和

  1. 求收斂半徑 RR: 我們令冪級數的一般項為:

    an(x)=(−1)nxn32n(2n)!=(−1)nxn9n(2n)!a_n(x) = \frac{(-1)^n x^n}{3^{2n}(2n)!} = \frac{(-1)^n x^n}{9^n(2n)!}

    使用比例審斂法(Ratio Test):

    lim⁡n→∞∣an+1(x)an(x)∣= lim⁡n→∞∣(−1)n+1xn+19n+1(2n+2)!(−1)nxn9n(2n)!∣= lim⁡n→∞(9n9n+1⋅(2n)!(2n+2)!⋅∣xn+1xn∣)= lim⁡n→∞(19⋅1(2n+1)(2n+2)⋅∣x∣)\begin{align*} \lim_{n \to \infty} \left| \frac{a_{n+1}(x)}{a_n(x)} \right| =&\, \lim_{n \to \infty} \left| \frac{\frac{(-1)^{n+1} x^{n+1}}{9^{n+1}(2n+2)!}}{\frac{(-1)^n x^n}{9^n(2n)!}} \right| \\[4mm] =&\, \lim_{n \to \infty} \left( \frac{9^n}{9^{n+1}} \cdot \frac{(2n)!}{(2n+2)!} \cdot \left| \frac{x^{n+1}}{x^n} \right| \right) \\[4mm] =&\, \lim_{n \to \infty} \left( \frac{1}{9} \cdot \frac{1}{(2n+1)(2n+2)} \cdot |x| \right) \end{align*}

    對於任何實數 xx,由於分母在 n→∞n \to \infty 時趨於 ∞\infty:

    lim⁡n→∞∣an+1(x)an(x)∣=0<1\lim_{n \to \infty} \left| \frac{a_{n+1}(x)}{a_n(x)} \right| = 0 < 1

    因為此極限對所有實數 xx 均小於 11,故此級數在全實數域上皆收斂。 所以,收斂半徑為 R=∞R = \infty。

  2. 計算級數和: 我們知道餘弦函數 cos⁡y\cos y 的麥克勞林展開式為:

    cos⁡y=∑n=0∞(−1)ny2n(2n)!對於所有 y∈R\cos y = \sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n y^{2n}}{(2n)!} \quad \text{對於所有 } y \in \mathbb{R}

    我們將待求級數整理為:

    ∑n=0∞(−1)nπn32n(2n)!=∑n=0∞(−1)n(π)2n32n(2n)!=∑n=0∞(−1)n(2n)!(π3)2n\sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n \pi^n}{3^{2n}(2n)!} = \sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n \left(\sqrt{\pi}\right)^{2n}}{3^{2n}(2n)!} = \sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^n}{(2n)!} \left( \frac{\sqrt{\pi}}{3} \right)^{2n}

    對照展開式,此時令 y=π3y = \frac{\sqrt{\pi}}{3}。代入得級數和為:

    cos⁡(π3)\cos\left( \frac{\sqrt{\pi}}{3} \right)

(b) 判斷 ∑n=1∞(−1)nn(1+ln⁡2n)\sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^n}{n(1 + \ln^2 n)} 的斂散性

我們先考慮其絕對值項級數:

∑n=1∞∣(−1)nn(1+ln⁡2n)∣=∑n=1∞1n(1+ln⁡2n)\sum_{n=1}^\infty \left| \frac{(-1)^n}{n(1 + \ln^2 n)} \right| = \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n(1 + \ln^2 n)}

對應函數為:

f(x)=1x(1+ln⁡2x)對於 x≥1f(x) = \frac{1}{x(1 + \ln^2 x)} \quad \text{對於 } x \ge 1

顯然, f(x)f(x) 在 [1,∞)[1, \infty) 上是正值、連續且單調遞減的。我們採用積分審斂法,計算其對應的廣義積分:

I=∫1∞1x(1+ln⁡2x) dx=lim⁡b→∞∫1b1x(1+ln⁡2x) dxI = \int_{1}^{\infty} \frac{1}{x(1 + \ln^2 x)} \,\mathrm{d}x = \lim_{b \to \infty} \int_{1}^{b} \frac{1}{x(1 + \ln^2 x)} \,\mathrm{d}x

使用換元法。令 u=ln⁡x  ⟹  du=1x dxu = \ln x \implies \mathrm{d}u = \frac{1}{x}\,\mathrm{d}x:

  • 當 x=1  ⟹  u=0x = 1 \implies u = 0。
  • 當 x=b  ⟹  u=ln⁡bx = b \implies u = \ln b。
I= lim⁡b→∞∫0ln⁡b11+u2 du= lim⁡b→∞[tan⁡−1u]0ln⁡b= lim⁡b→∞tan⁡−1(ln⁡b)−tan⁡−1(0)\begin{align*} I =&\, \lim_{b \to \infty} \int_{0}^{\ln b} \frac{1}{1 + u^2} \,\mathrm{d}u \\[4mm] =&\, \lim_{b \to \infty} \Big[ \tan^{-1} u \Big]_{0}^{\ln b} \\[4mm] =&\, \lim_{b \to \infty} \tan^{-1}(\ln b) - \tan^{-1}(0) \end{align*}

當 b→∞b \to \infty 時, ln⁡b→∞\ln b \to \infty,故:

I=π2−0=π2I = \frac{\pi}{2} - 0 = \frac{\pi}{2}

由於此廣義積分收斂,說明絕對值級數 ∑n=1∞1n(1+ln⁡2n)\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n(1 + \ln^2 n)} 收斂。 根據定義,原交錯級數為絕對收斂 (Absolutely Convergent)。