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 / 幂级数收敛半径的比值法/根值法计算
求幂级数 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\dfrac{x^n}{5^n(n+1)}$ 的收敛区间(不考虑两个端点的收敛性)。
正确答案
$[-5,5)$
题目解析
【解】设幂级数为 $\sum_{n=1}^{\infty} a_n x^n$,其中系数 $a_n = \dfrac{1}{5^n(n+1)}$。利用比值法求收敛半径 $R$:$$\lim_{n \to \infty} \left| \dfrac{a_{n+1}}{a_n} \right| = \lim_{n \to \infty} \left| \dfrac{1}{5^{n+1}(n+2)} \cdot \dfrac{5^n(n+1)}{1} \right| = \lim_{n \to \infty} \dfrac{1}{5} \cdot \dfrac{n+1}{n+2} = \dfrac{1}{5}.$$故收敛半径 $R = \dfrac{1}{1/5} = 5$,收敛区间初步为 $(-5, 5)$。接下来讨论端点处的收敛性:当 $x=5$ 时,级数为 $\sum_{n=1}^{\infty} \dfrac{5^n}{5^n(n+1)} = \sum_{n=1}^{\infty} \dfrac{1}{n+1}$,这是调和级数去掉第一项,故发散;当 $x=-5$ 时,级数为 $\sum_{n=1}^{\infty} \dfrac{(-5)^n}{5^n(n+1)} = \sum_{n=1}^{\infty} \dfrac{(-1)^n}{n+1}$,这是交错级数,满足莱布尼茨判别法条件(项绝对值单调递减趋于0),故收敛。综上所述,该幂级数的收敛区间为 $[-5, 5)$。