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 / 有理函数拆项后套用1/(1−x)几何级数展开
$\dfrac1{x^2-6x+5}$ 展开为 $x$ 的幂级数为____.
正确答案
$\dfrac14\displaystyle\sum\limits_{n=0}^{\infty}\left(1-\dfrac1{5^{n+1}}\right)x^n,\quad x\in(-1,1)$
题目解析
【解析】先对分母因式分解:$$x^2-6x+5=(x-1)(x-5).$$ 利用部分分式分解:$$\dfrac{1}{x^2-6x+5}=\dfrac{1}{(x-1)(x-5)}=\dfrac{A}{x-1}+\dfrac{B}{x-5}.$$ 解得 $A=-\dfrac{1}{4}$,$B=\dfrac{1}{4}$,即 $$\dfrac{1}{x^2-6x+5}=\dfrac{1}{4}\left(\dfrac{1}{x-5}-\dfrac{1}{x-1}\right).$$ 将两项分别展开为 $x$ 的幂级数(在 $|x|<1$ 内):$$\dfrac{1}{x-5}=-\dfrac{1}{5}\cdot\dfrac{1}{1-\frac{x}{5}}=-\dfrac{1}{5}\sum_{n=0}^{\infty}\left(\dfrac{x}{5}\right)^n=-\sum_{n=0}^{\infty}\dfrac{x^n}{5^{n+1}},$$ $$\dfrac{1}{x-1}=-\dfrac{1}{1-x}=-\sum_{n=0}^{\infty}x^n.$$ 故 $$\dfrac{1}{x^2-6x+5}=\dfrac{1}{4}\left[-\sum_{n=0}^{\infty}\dfrac{x^n}{5^{n+1}}+\sum_{n=0}^{\infty}x^n\right]=\dfrac{1}{4}\sum_{n=0}^{\infty}\left(1-\dfrac{1}{5^{n+1}}\right)x^n.$$ 收敛域由两个几何级数共同决定:$|x|<1$ 且 $\left|\dfrac{x}{5}\right|<1$,即 $|x|<1$,故收敛区间为 $(-1,1)$。端点检验:当 $x=1$ 时,通项 $\dfrac{1}{4}\left(1-\dfrac{1}{5^{n+1}}\right)\to\dfrac{1}{4}\ne0$,级数发散;当 $x=-1$ 时,通项绝对值趋于 $\dfrac{1}{4}$,亦不趋于零,发散。因此收敛域为 $(-1,1)$,答案为 $\dfrac{1}{4}\sum\limits_{n=0}^{\infty}\left(1-\dfrac{1}{5^{n+1}}\right)x^n,\quad x\in(-1,1)$。