无穷级数 / 幂级数展开与收敛域 / 比较、比值、交错或幂级数收敛判别 / 幂级数端点敛散性的逐点检验
求幂级数 $\displaystyle\sum\limits_{n=1}^{\infty}\dfrac{(x-2)^n}{n+1}$ 的收敛域.
正确答案
$[1,3)$
题目解析
【解】求幂级数 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\dfrac{(x-2)^n}{n+1}$ 的收敛域。
令 $u=x-2$,则级数化为 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\dfrac{u^n}{n+1}$。
(1)用比值法求收敛半径:
$$
\lim_{n\to\infty}\left|\dfrac{a_{n+1}}{a_n}\right|=\lim_{n\to\infty}\left|\dfrac{u^{n+1}/(n+2)}{u^n/(n+1)}\right|=|u|\lim_{n\to\infty}\dfrac{n+1}{n+2}=|u|.
$$
故收敛半径 $R=1$,即 $|u|<1$ 时绝对收敛,即 $|x-2|<1 \Rightarrow 1<x<3$。
(2)端点检验:
当 $x=1$,即 $u=-1$,级数为 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\dfrac{(-1)^n}{n+1}$,是交错级数,且 $\dfrac{1}{n+1}$ 单调递减趋于 0,由莱布尼茨判别法知收敛;
当 $x=3$,即 $u=1$,级数为 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\dfrac{1}{n+1}=\sum_{k=2}^{\infty}\dfrac{1}{k}$,为调和级数去掉首项,发散。
故收敛域为 $[1,3)$。
令 $u=x-2$,则级数化为 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\dfrac{u^n}{n+1}$。
(1)用比值法求收敛半径:
$$
\lim_{n\to\infty}\left|\dfrac{a_{n+1}}{a_n}\right|=\lim_{n\to\infty}\left|\dfrac{u^{n+1}/(n+2)}{u^n/(n+1)}\right|=|u|\lim_{n\to\infty}\dfrac{n+1}{n+2}=|u|.
$$
故收敛半径 $R=1$,即 $|u|<1$ 时绝对收敛,即 $|x-2|<1 \Rightarrow 1<x<3$。
(2)端点检验:
当 $x=1$,即 $u=-1$,级数为 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\dfrac{(-1)^n}{n+1}$,是交错级数,且 $\dfrac{1}{n+1}$ 单调递减趋于 0,由莱布尼茨判别法知收敛;
当 $x=3$,即 $u=1$,级数为 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\dfrac{1}{n+1}=\sum_{k=2}^{\infty}\dfrac{1}{k}$,为调和级数去掉首项,发散。
故收敛域为 $[1,3)$。