12.3 习题课讲解

12.3.1 收敛域、和函数

例 12.3.1 (例1) 讨论下列级数的收敛域:

(1)

∑n=1+∞2nsinn⁡xn2

(2)

∑n=1+∞sin⁡(nx)n2

(3)

∑n=1+∞n!n200xn

(4)

∑n=1+∞n! enx

解 (1) I={x∈R | |x−kπ|≤π6, k∈Z}。用Cauchy根式判别法可得(1)limn→+∞|2nsinn⁡xn2|n=2|sin⁡x| 知|sin⁡x|<12时收敛,|sin⁡x|>12时发散。当sin⁡x=±12时,|un(x)|=1n2,级数收敛。

(2) I=R。放缩可得(2)|sin⁡nxn2|≤1n2 故级数一致绝对收敛。

(3) I={0}。由d’Alembert判别法可得(3)limn→+∞|un+1(x)||un(x)|=limn→+∞(n+1)(nn+1)200|x|≥limn→+∞(n+1)(1−200n+1)|x|=+∞,|x|≠0 故级数仅在|x|=0处收敛。

(4) I=∅。由d’Alembert判别法可得(4)limn→+∞|un+1(x)||un(x)|=limn→+∞(n+1)e−x=+∞,∀x 故级数处处发散。 ◻

12.3.2 幂级数及其收敛半径、收敛区间和收敛域

例 12.3.2 (例2) 已知幂级数∑n=0+∞(x−a)nln⁡(n+2)在点x1=−2处条件收敛,则幂级数∑n=0+∞(x−a)n(n+2)2在x2=12处的收敛情况是____。

(A)

绝对收敛

(B)

条件收敛

(C)

发散

(D)

不能确定

解 C。由d’Alembert判别法可得(5)R=(limn→+∞|1ln⁡(n+3)||1ln⁡(n+2)|)−1=limn→+∞ln⁡(n+3)ln⁡(n+2)=Heine, L′Hlimt→+∞1t+31t+2=1 所以第一个级数的收敛半径为1。当x∈[a−1,a+1]时,幂级数绝对收敛;当x=a+1时,∑n=0+∞1ln⁡(n+2)发散;当x=a−1时,由Leibniz判别法知交错级数∑n=0+∞(−1)nln⁡(n+2)收敛,且为条件收敛。综上,a−1=−2,即a=−1。

类似可知第二个级数的收敛半径也是1,收敛域为[−2,0],x2=12不在其收敛域中,因此该级数在x2=12处发散。 ◻

例 12.3.3 (例3) 已知级数∑n=1+∞(x−a)nn在x=2处收敛,则实参数a的取值范围是____。

解 采用“相对论”,看成以a为变量的幂级数,考虑∑n=1+∞(2−a)nn=∑n=1+∞(−1)nn(a−2)n的敛散性,由Cauchy判别法可得(6)R=(lim supn→+∞|(−1)nn|n)−1=1 故收敛半径为1。当a−2=−1、即a=1时,级数发散;当a−2=1、即a=3时,由Leibniz判别法知级数收敛。综上,1<a≤3。 ◻

例 12.3.4 (例4) 若级数∑n=1+∞an(x−1)n在x=−1处条件收敛,则级数∑n=1+∞an的收敛情况是____。

(A)

绝对收敛

(B)

条件收敛

(C)

发散

(D)

不能确定

解 A。收敛半径为R=1−(−1)=2,收敛区间为(−1,3),x=2在收敛区间内,故级数绝对收敛。 ◻

例 12.3.5 (例5) 若∑n=1+∞anxn的收敛半径为1,记级数∑n=1+∞(an+1)xn的收敛半径为 r,则r的取值范围是____。

解 对任意|x|<1,级数∑n=1+∞anxn和∑n=1+∞xn都收敛,因此∑n=1+∞(an+1)xn收敛,从而r≥1。对于an=1,两级数的收敛半径均为1;对于an=1Rn−1 (R>1),原级数的收敛半径为1,而∑n=1+∞(an+1)xn收敛半径为R。综上,r≥1。 ◻

例 12.3.6 (例6) 幂级数∑n=1+∞n2n+(−3)nx2n的收敛域为____。

解 由d’Alembert判别法可得(7)limn→+∞|n+12n+1+(−3)n+1x2(n+1)||n2n+(−3)nx2n|=x23 当|x|<3时级数收敛,当|x|>3时级数发散,故收敛半径为R=3。当x=±3时,通项不趋于零,级数发散。综上,收敛域为(−3,3)。 ◻

例 12.3.7 (例7) 已知∑n=1+∞anxn的收敛域为[−8,8],则∑n=2+∞anxnn(n−1)的收敛半径R为____。

(A)

R≥8

(B)

R≤8

(C)

R=8

(D)

不确定

解 C。幂级数逐项求导或逐项积分,收敛半径不变。由Cauchy判别法可得(8)lim supn→+∞|nan|n=lim supn→+∞|n|n⋅lim supn→+∞|an|n=lim supn→+∞|an|nlim supn→+∞|ann+1|n=lim supn→+∞|an|n⋅lim supn→+∞1n+1n=lim supn→+∞|an|n 故收敛半径为R=8。 ◻

例 12.3.8 (例8) 求级数∑n=1+∞1n(x2x+1)n的收敛域。

解 易知∑n=1+∞1nzn的收敛域为[−1,1),故原级数的收敛域为(9)−1≤z=x2x+1<1⟹x≥−13 ∨ x<−1 ◻

12.3.3 通过幂级数求和

例 12.3.9 (例9) 求∑n=1+∞1n(n+1)(n+2)的和。

解1(初等方法) 裂项可得部分和满足(10)SN=∑n=1N1n(n+1)(n+2)=12∑n=1N(1n(n+1)−1(n+1)(n+2))=12(11⋅2−1(N+1)(N+2))→14,N→+∞ 故∑n=1+∞1n(n+1)(n+2)=14。 ◻

解2(幂级数) 记S(x)=∑n=1+∞xnn(n+1)(n+2),则S的收敛半径为1、收敛域为[−1,1]。所以S∈C[−1,1]∩C∞(−1,1),且在(−1,1)内可逐项任意次求导。对任意−1<x<1,计算可得(11)S(3)(x)=∑n=1+∞xn−1=1(1−x)2 且有S(0)=S′(0)=S″(0)=0,逐次积分可得(12)S(x)=−12(x−1)2ln⁡(1−x)+3x2−2x4 上式两端在x=1处都连续,所以它在x=1处也成立,因此S(1)=14。 ◻

例 12.3.10 (例10) 求∑n=1+∞n2xn−1的和函数。

解 上述幂级数收敛域为(−1,1)。记S(x)为其和函数,则(13)S(x)=∑n=1+∞n(xn)′=(∑n=1+∞nxn)′=(x∑n=1+∞(xn)′)′=(x(∑n=1+∞xn)′)′=(x(∑n=0+∞xn)′)′=(x(11−x)′)′=(11−x)′+x(11−x)″=1(1−x)2+2x(1−x)3=1+x(1−x)3 ◻

例 12.3.11 (例11) 求级数∑n=1+∞2n−12n的和。

解 考虑S(x)=∑n=1+∞(2n−1)x2n−2,逐项积分可得(14)S(x)=∑n=1+∞(x2n−1)′=(∑n=1+∞x2n−1)′=(x1−x2)′=1+x2(1−x2)2,|x|<1 所求级数为(15)12S(12)=12⋅1+12(1−12)2=3 ◻

例 12.3.12 (例12) 设参数a>1,求∑n=1+∞nan的和。

解 考虑S(x)=∑n=1+∞nxn−1,逐项积分可得(16)S(x)=∑n=1+∞(xn)′=(∑n=1+∞xn)′=(x1−x)′=1(1−x)2,|x|<1 所求级数为(17)1aS(1a)=1a⋅1(1−1a)2=a(a−1)2 ◻

例 12.3.13 (例13) 级数∑n=1+∞(−1)nn2n!的和为____。

(A)

2e−1

(B)

0

(C)

e−1

(D)

e−1−1

解 B。考虑S(x)=∑n=1+∞n2xnn!,(18)S(x)=x∑n=1+∞nxn−1(n−1)!=x(∑n=1+∞xn(n−1)!)′=x(xex)′=exx(x+1),x∈R 所求级数为S(−1)=0。 ◻

12.3.4 初等函数的幂级数展开、Taylor级数

例 12.3.14 (例14) 将函数f(x)=x−1(x+1)2在x=1处展成幂级数,并求其收敛域。

解 令t=x−1,由广义二项式定理可得(19)f(t+1)=t(t+2)2=t4(1+t2)−2=t4∑n=0+∞(−2)(−2−1)⋯(−2−n+1)n!tn2n=∑n=0+∞(n+1)(−1)n2n+2tn+1=∑n=1+∞n(−1)n2n+1tn 其关于t的收敛半径为2、收敛域为[−2,2],代回t=x−1可得原级数的收敛域为[−1,3],且(20)f(x)=∑n=1+∞n(−1)n2n+1(x−1)n,x∈[−1,3] ◻

例 12.3.15 (例15) 求函数f(x)=xex在x=1处的幂级数展开。

解 令t=x−1,由ex的Maclaurin级数展开可得(21)f(x)=(1+t)e1+t=e(1+t)∑n=0+∞tnn!=e[1+∑n=1+∞(1n!+1(n−1)!)tn] 代回t=x−1可得(22)xex=∑n=0+∞e(n+1)n!(x−1)n ◻

例 12.3.16 (例16) 求(1+x)μ在x=0处的幂级数展开。

解 令y=(1+x)μ,它是C∞函数,具有幂级数展开。记(23)y=a0+a1x+a2x2+⋯+anxn+⋯ 假设该幂级数收敛半径R>0,且收敛到(1+x)μ,则(24)(1+x)y′=μy 用幂级数代入,得到(25)(1+x)(a1+2a2x+3a3x2+⋯)=μ(a0+a1x+a2x2+⋯) 比较系数得到(26)a1=μa02a2+a1=μa1  ⋮(n+1)an+1+nan=μan  ⋮ 解得(27)an=μ−(n−1)nan−1,n≥1 由y(0)=1得到a0=1,由此可得幂级数(28)1+μx+μ(μ−1)2x2+⋯+μ(μ−1)⋯(μ−n+1)n!xn+⋯ 其收敛半径为1,所以在区间(−1,1)中该幂级数收敛。上述过程表明幂级数的和函数S(x)满足(29)(1+x)S′=μS,S(0)=1 而y=(1+x)μ是该初值问题的唯一解,所以(30)(1+x)μ=1+μx+μ(μ−1)2x2+⋯+μ(μ−1)⋯(μ−n+1)n!xn+⋯ 在开区间(−1,1)中成立。这个等式在区间端点是否成立可由相应的数项级数收敛判别法判定。 ◻

12.3.5 用幂级数解微分方程

例 12.3.17 (例17) 证明(31)y(x)=1+x33!+x66!+⋯+x3n(3n)!+⋯,x∈(−∞,+∞) 是y″+y′+y=ex的解,并求y(x)。

解 上述级数的收敛半径为+∞,计算可得(32)y″+y′+y=∑n=0+∞[x3n+1(3n+1)!+x3n+2(3n+2)!+x3n(3n)!]=∑m=0+∞xmm!=ex 两边再对x求导得到(33)y(3)+y″+y′=ex⟹y(3)−y=0 后者的特征多项式λ3−1=0有三个不同特征根1,ω,ω2,其中(34)ω=cos⁡2π3+isin⁡2π3=−1+i32 于是这个三阶微分方程的通解为(35)y=C1ex+C2eωx+C3eω2x 由y(0)=1, y′(0)=0, y″(0)=0得到(36){C1+C2+C3=1C1+ωC2+ω2C3=0C1+ω2C2+ωC3=0 解得(37)C2=C3=C1=13 由微分方程初值问题(38){y″+y′+y=exy(0)=1, y′(0)=0 解的存在唯一性,得到(39)y(x)=13(ex+eωx+eω2x)=13(ex+2e−x2cos⁡3x2) ◻

例 12.3.18 (例18) 求微分方程xy″−(x+1)y′+y=x2ex的幂级数解。

解1 设y=∑n=0+∞anxn,代入方程比较两边的系数可得(40)x0:−a1+a0=0x1:2a2−a1−2a2+a1=0xn (n≥2):(n+1)nan+1−nan−(n+1)an+1+an=1(n−2)! 解得(41)a1=a0,an+1=ann+1+n(n+1)!,n≥2 由(42)an+1−βn+1=1n+1(an−βn) 解得(43)βn=n(n−1)2n!,an=2n!(a2−β2)+βn=2a2−1+n(n−1)2n! 所以(44)y=a0(1+x)+(2a2−1)∑n=2+∞xnn!+12∑n=2+∞xn(n−2)! 这个幂级数的收敛半径为+∞,所以原微分方程有幂级数解(45)y=a0(1+x)+(2a2−1)(ex−1−x)+x22ex=(a0+1−2a2)(1+x)+(2a2−1)ex+x2ex2 这个解的表达式中包括两个任意常数a0,a2,所以这是方程的通解。 ◻

解2 方程两边令x=0,得到(46)−y′(0)+y(0)=0 方程两边求n−1 (n≥3)阶导数,得到(47) xy(n+1)+(n−1)y(n)−(x+1)y(n)−(n−1)y(n−1)+y(n−1)=x2ex+(n−1)2xex+(n−1)(n−2)22ex 令x=0,得到(48)(n−2)y(n)(0)−(n−2)y(n−2)(0)=(n−1)(n−2),n≥3 从而(49)y(n)(0)=y(n−1)(0)+(n−1)=y″(0)+(n−1)n2 所以原方程的C∞解的Taylor展开为(50)a0(1+x)+2a2∑n=2+∞xnn!+12∑n=2+∞xn(n−2)!=a0(1+x)+2a2(ex−1−x)+x2ex2 它的收敛半径为+∞,所以原方程有幂级数解。 ◻

例 12.3.19 (例19) 求方程xy(3)−3y″=2x−3的幂级数解。

解 设y=∑n=0+∞anxn,代入方程、比较两边的系数可得(51)x0:−6a2=−3x1:6a3−18a3=2x2:24a4−36a4=0xn (n≥3):(n+2)(n+1)nan+2−3(n+2)(n+1)an+2=0 解得(52)a0,a1∈R,a2=12,a3=−16,a4=0,a5∈R,an=0,n≥6 因此(53)y=a0+a1x+x22−x36+a5x5 它含三个任意常数,是方程的通解。 ◻

例 12.3.20 (例20) 求方程x2y″−2y=x4的幂级数解。

解 设y=∑n=0+∞anxn,代入方程比较两边的系数可得(54)x0,x1:a0=a1=0x2:2a2−2a2=0x3:6a3−2a3=0x4:12a4−2a4=1xn (n≥5):n(n−1)an−2an=0 解得(55)a0=a1=a3=an=0 (n≥5),a2∈R,a4=110 因此(56)y=a2x2+x410 所以x2是齐次方程的一个解,x410是非齐次方程的一个特解。

用常数变易法,设y=C(x)x2是齐次方程的解,则(57)x2(C″+2xC′)=0 得到(58)C″=−2xC′ 这是关于C′的一阶分离变量的微分方程,解得(59)ln⁡C′=ln⁡x−2⟹C(x)=−1x 因此(60)y=x2(−1x)=−1x 是齐次方程的另一个解,故原方程通解为(61)y=x410+a2x2−Ax 其中a2,A是任意常数。 ◻