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$\sum_{n = 1}^{\infty} \frac{3^{n} - \left(- 1\right)^{n - 1}}{n + 1} x^{n}$的收敛半径和收敛域.
正确答案
收敛半径 $R=\frac13$,收敛域 $[-\frac13,\frac13)$
题目解析
【解】记幂级数通项系数为 $a_n = \dfrac{3^n - (-1)^{n-1}}{n+1}$。首先求收敛半径 $R$。利用比值判别法,计算极限:
$$
\lim_{n \to \infty} \left| \frac{a_{n+1}}{a_n} \right| = \lim_{n \to \infty} \left| \frac{3^{n+1} - (-1)^n}{n+2} \cdot \frac{n+1}{3^n - (-1)^{n-1}} \right|.
$$
分子分母同除以 $3^n$,得
$$
\lim_{n \to \infty} \frac{n+1}{n+2} \cdot \left| \frac{3 - (-1/3)^n}{1 - (-1/3)^{n-1}/3} \right| = 1 \cdot 3 = 3.
$$
故收敛半径 $R = \dfrac{1}{3}$,收敛区间为 $(-\dfrac{1}{3}, \dfrac{1}{3})$。
接下来讨论端点处的敛散性。
当 $x = \dfrac{1}{3}$ 时,级数为 $\sum_{n=1}^{\infty} \dfrac{3^n - (-1)^{n-1}}{n+1} (\dfrac{1}{3})^n = \sum_{n=1}^{\infty} \dfrac{1 - \frac{(-1)^{n-1}}{3^n}}{n+1}$。由于 $\sum \dfrac{1}{n+1}$ 发散,且 $\sum \dfrac{(-1)^{n-1}}{3^n(n+1)}$ 绝对收敛,故原级数发散。
当 $x = -\dfrac{1}{3}$ 时,级数为 $\sum_{n=1}^{\infty} \dfrac{3^n - (-1)^{n-1}}{n+1} (-\dfrac{1}{3})^n = \sum_{n=1}^{\infty} \dfrac{(-1)^n - \frac{(-1)^{2n-1}}{3^n}}{n+1} = \sum_{n=1}^{\infty} \left[ \frac{(-1)^n}{n+1} + \frac{1}{3^n(n+1)} \right]$。前者为交错级数,由莱布尼茨判别法知收敛;后者为正项级数,由比较判别法知收敛。故原级数收敛。
因此,收敛域为 $[-\dfrac{1}{3}, \dfrac{1}{3})$。
$$
\lim_{n \to \infty} \left| \frac{a_{n+1}}{a_n} \right| = \lim_{n \to \infty} \left| \frac{3^{n+1} - (-1)^n}{n+2} \cdot \frac{n+1}{3^n - (-1)^{n-1}} \right|.
$$
分子分母同除以 $3^n$,得
$$
\lim_{n \to \infty} \frac{n+1}{n+2} \cdot \left| \frac{3 - (-1/3)^n}{1 - (-1/3)^{n-1}/3} \right| = 1 \cdot 3 = 3.
$$
故收敛半径 $R = \dfrac{1}{3}$,收敛区间为 $(-\dfrac{1}{3}, \dfrac{1}{3})$。
接下来讨论端点处的敛散性。
当 $x = \dfrac{1}{3}$ 时,级数为 $\sum_{n=1}^{\infty} \dfrac{3^n - (-1)^{n-1}}{n+1} (\dfrac{1}{3})^n = \sum_{n=1}^{\infty} \dfrac{1 - \frac{(-1)^{n-1}}{3^n}}{n+1}$。由于 $\sum \dfrac{1}{n+1}$ 发散,且 $\sum \dfrac{(-1)^{n-1}}{3^n(n+1)}$ 绝对收敛,故原级数发散。
当 $x = -\dfrac{1}{3}$ 时,级数为 $\sum_{n=1}^{\infty} \dfrac{3^n - (-1)^{n-1}}{n+1} (-\dfrac{1}{3})^n = \sum_{n=1}^{\infty} \dfrac{(-1)^n - \frac{(-1)^{2n-1}}{3^n}}{n+1} = \sum_{n=1}^{\infty} \left[ \frac{(-1)^n}{n+1} + \frac{1}{3^n(n+1)} \right]$。前者为交错级数,由莱布尼茨判别法知收敛;后者为正项级数,由比较判别法知收敛。故原级数收敛。
因此,收敛域为 $[-\dfrac{1}{3}, \dfrac{1}{3})$。