13.1 第10次作业评讲

例 13.1.1 (题1,red-circle26%) 不定项选择题:以下命题中正确的命题是____。

(A)

对任何正项级数n1an,记bn:=an(knak)p,则n1bn收敛当且仅当p>1

(B)

对任何收敛的正项级数n1an,记cn:=an(knak)p,则n1cn收敛当且仅当p<1

(C)

没有收敛得最慢的级数;

(D)

没有发散得最慢的级数;

(E)

以上命题都不正确。

BCD。(A)、(B)选项是Abel-Dini定理(例13.1.2)的内容,(A)错误(应将条件修改为发散的正项级数),(B)正确;(C)、(D)选项是Du Bois-Reymond & Abel定理(例11.3.3)的内容,均正确。

(A) 如果正项级数n1an收敛,记该级数的和为S,则对充分大的整数n,考虑(1)0<bn=an(Sk>nak)p<?2anSp(1k>nanS)p>?12p0时,由于0<1k>nanS<1,故(2)(1k>nanS)p1>12 恒成立。当p>0时,选择充分大的n使得(3)k>nak<(121/p)S 成立即可。于是由Weierstrass判别法知n1bn收敛,这里的p可以取任意实数,所以(A)选项错误。

定理 13.1.2 (Abel-Dini定理)

(1)

设正项级数k=1+ak收敛,则级数n=1+anTn1+α收敛的充要条件是α<0,其中Tn为级数k=1+ak的第n个余式和,即Tn=an+an+1+

(2)

设正项级数k=1+ak发散,则级数n=1+anSn1+α收敛的充要条件是α>0,其中Sn为级数k=1+ak的第n个部分和,即Sn=a1+a2++an

证明 (1) 对于收敛级数n1anTn单调递减且趋于0

1α1时,1Tn1+α单调递减,故有(4)0<n=1+anTn1+α1T11+αn=1+an=1T1α<+ 故级数收敛。

2α(1,0)时,考虑(5)0<anTn1+α=TnTn+1Tn1+αTn+1Tndxx1+α0<n=1NanTn1+αTN+1T1dxx1+α 由于广义积分0cdxx1+αα<0时收敛,故令N+可得级数n=1+anTn1+α收敛。

3α=0时,nN,取qN使得Tn+q<12Tn,则(6)anTn++an+q1Tn+q1anTn++an+q1Tn=TnTn+qTn>12 由Cauchy收敛准则知n=1+anTn发散。

4α>0时,1Tnα单调递增,故有(7)n=1+anTn1+α1T1αn=1+anTn=+ 故级数发散。

综上所述,n=1+anTn1+α收敛的充要条件是α<0。取α(1,0),此时limn+anTn1+αan=limn+1Tn1+α=+,所以n=1+anTn1+α是比n=1+an收敛得更慢的级数。

(2) 对于发散级数n1anSn单调递增且趋于+

1α>0时,考虑(8)0<anSn1+α=SnSn1Sn1+αSn1Sndxx1+α0<n=1NanSn1+α1a1α+a1SNdxx1+α 由于广义积分c+dxx1+αα>0时收敛,故令N+可得级数n=1+anSn1+α收敛。

2α=0时,nN,取qN使得Sn+q>2Sn,则(9)an+1Sn+1++an+qSn+qan+1Sn+q++an+qSn+q=Sn+qSnSn+q>12 由Cauchy收敛准则知n=1+anSn发散。

3α<0时,1Snα单调递增,故有(10)n=1+anSn1+α1S1αn=1+anSn=+ 故级数发散。

综上所述,n=1+anSn1+α收敛的充要条件是α>0。取α(1,0],此时limn+anSn1+αan=limn+1Sn1+α=0,所以n=1+anSn1+α是比n=1+an发散得更慢的级数。

例 13.1.3 (题2,orange-circle78%) 单项选择题:幂级数n=1+(1)nxn(1+12+13++1n)n的收敛域为____。

(A)

{0}

(B)

(,+)

(C)

(1,1)

(D)

(1,1]

B。由Cauchy判别法可得(11)R=[lim supn+|(1)n(k=1n1k)n|n]1=limn+k=1n1k=+ 故该级数在(,+)上绝对收敛。

例 13.1.4 (题3,green-circle96%) 单项选择题:记n=2+xnn(n1)的和函数为S(x),则S(12)= ____。

(A)

ln2ln3

(B)

ln3ln2

(C)

ln2

(D)

ln2

D。易知S的收敛半径为1,在收敛区间(1,1)上逐项求导可得(12)S(x)=n=2+[xnn(n1)]=n=2+xn1n1=n=1+xnnS(x)=n=1+(xnn)=n=1+xn1=11x 因此(13)S(x)=S(0)+0xS(t)dt=0+0xdt1t=ln(1x)S(12)=ln2

例 13.1.5 (题4,green-circle91%) 填空题:设幂级数y=n=0+anxn的和函数是微分方程初值问题(14){xy=yy(0)=0, y(0)=1 的解,则1a3= ____。

将幂级数代入微分方程中可得(15)n=0+anxn=n=2+n(n1)anxn1=n=0+n(n+1)an+1xn 对应系数可得(16)an=n(n+1)an+1an+1=ann(n+1), n1 其中a0,a1由初始条件给出,即(17)a0=0, a1=1an=1n(n1)1(n1)(n2)121a1=n(n!)2 亦即(18)y=n=0+n(n!)2xn=x I1(2x) 其中Iν(z)ν阶修正Bessel函数。对于本题的答案,计算可得1a3=(3!)23=12

例 13.1.6 (题5,yellow-circle82%) 填空题:设级数n=0+anxnx=4处条件收敛,记n=0+a2nxn的收敛半径为R,则R的最小值是____。

设级数n=0+anxn的收敛半径为r0,则级数只能在收敛边界x=±r处条件收敛,故4{r,r}r=4,亦即(19)r=(lim supn+|an|n)1=4 对于级数n=0+a2nxn的收敛半径R,计算可得(20)R=(lim supn+|a2n|n)1=(lim supn+|a2n|2n)2(lim supn+|an|n)2=r2=16R16

例 13.1.7 (题6,green-circle91%) 单项选择题:函数项级数n=1+(1)nn2+x2R上____。

(A)

绝对收敛且一致收敛

(B)

绝对收敛但不一致收敛

(C)

条件收敛且一致收敛

(D)

条件收敛但不一致收敛

A。由Weierstrass判别法可得(21)n=1+|(1)nn2+x2|=n=1+1n2+x2n=1+1n2=π26<+ 故该级数在R上绝对收敛且一致收敛。

例 13.1.8 (题7,red-circle65%) 单项选择题:已知幂级数n=0+(xa)nln(n+2)在点x=2处条件收敛,则幂级数n=0+(xa)n(n+2)2在点x=12处____。

(A)

绝对收敛

(B)

条件收敛

(C)

发散

(D)

不能确定

C。参考例12.3.2

例 13.1.9 (题8) 填空题:设数项级数1+13!+16!+19!+的和为S,则S的十进制小数表达中第27至第30位小数数字为____。

1 参考例12.3.17可解得(22)S=13(e+2ecos32) 计算可得(23)1.16805 83133 75918 52551 62569 29611 14474 77169 33295 11329 

2 首先估计余项(24)Tn:=k=n+1(3k)!1(3n)!k=0+1(3n)3k=1(3n)!11127n3 暂时忽略27n3的影响,采用Stirling公式可得(25)n!=2πn(ne)n[1+O(1n)](3n)!6πn(3ne)3n>1031 两边取对数可得(26)3n(lnn+ln31)+12(lnn+ln6π)>31ln10 利用Excel可解得n10,故只需要计算到n=9,计算可得(27)n=0:1.00000 00000 00000 00000 00000 00000 00n=1:0.16666 66666 66666 66666 66666 66666 66n=2:0.00138 88888 88888 88888 88888 88888 88n=3:0.00000 27557 31922 39858 90652 55731 92n=4:0.00000 00020 87675 69878 68098 97921 00n=5:0.00000 00000 00764 71637 31819 81647 59n=6:0.00000 00000 00000 15619 20696 85862 26n=7:0.00000 00000 00000 00001 95729 41063 39n=8:0.00000 00000 00000 00000 00016 11737 57n=9:0.00000 00000 00000 00000 00000 00091 83n=10:0.00000 00000 00000 00000 00000 00000 00 计算第27~32位数字之和可得(28)666666+888888+573192+792100+164759+586226+106339+173757+009183=3961110 综上,S的十进制小数表达中第27至第30位小数数字为9611