题目
将函数 f(x) = ln(1+x) 展开成 x 的幂级数时,可通过对接 (1)/(1+x) 的幂级数逐项积分得到,其展开式为 sum_(n=1)^infty ((-1)^n+1 x^n)/(n),收敛域为 (-1, 1]。A. 对B. 错
将函数 $f(x) = \ln(1+x)$ 展开成 $x$ 的幂级数时,可通过对接 $\frac{1}{1+x}$ 的幂级数逐项积分得到,其展开式为 $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{n+1} x^n}{n}$,收敛域为 $(-1, 1]$。
A. 对
B. 错
题目解答
答案
A. 对
解析
本题考查函数展开成幂级数的方法以及幂级数收敛域的求解。解题思路是先明确$\frac{1}{1 + x}$的幂级数展开式,再通过对其逐项积分得到$\ln(1 + x)$的幂级数展开式,最后分析该幂级数的收敛域。
- 求$\frac{1}{1 + x}$的幂级数展开式:
根据等比级数的求和公式,当$\vert q\vert<1$时,$\sum_{n = 0}^{\infty}q^n=\frac{1}{1 - q}$。
令$q=-x$,则$\frac{1}{1 + x}=\sum_{n = 0}^{\infty}(-x)^n=\sum_{n = 0}^{\infty}(-1)^n x^n$,其收敛域为$\vert -x\vert<1$,即$\vert x\vert<1$,也就是$(-1,1)$。 - 对$\frac{1}{1 + x}$的幂级数展开式逐项积分求$\ln(1 + x)$的幂级数展开式:
已知$\ln(1 + x)=\int_{0}^{x}\frac{1}{1 + t}dt$,将$\frac{1}{1 + t}=\sum_{n = 0}^{\infty}(-1)^n t^n$代入可得:
$\ln(1 + x)=\int_{0}^{x}\sum_{n = 0}^{\infty}(-1)^n t^n dt$
根据幂级数的逐项积分性质,$\int_{0}^{x}\sum_{n = 0}^{\infty}(-1)^n t^n dt=\sum_{n = 0}^{\infty}(-1)^n\int_{0}^{x}t^n dt$。
计算积分$\int_{0}^{x}t^n dt=\left[\frac{t^{n + 1}}{n + 1}\right]_0^x=\frac{x^{n + 1}}{n + 1}$,则$\sum_{n = 0}^{\infty}(-1)^n\int_{0}^{x}t^n dt=\sum_{n = 0}^{\infty}(-1)^n\frac{x^{n + 1}}{n + 1}$。
令$m=n + 1$,当$n = 0$时,$m = 1$,则$\sum_{n = 0}^{\infty}(-1)^n\frac{x^{n + 1}}{n + 1}=\sum_{m = 1}^{\infty}(-1)^{m - 1}\frac{x^{m}}{m}=\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{(-1)^{n + 1}x^n}{n}$。 - 分析$\ln(1 + x)$的幂级数展开式的收敛域:
- 原级数$\sum_{n = 0}^{\infty}(-1)^n x^n$的收敛域为$(-1,1)$,根据幂级数逐项积分后收敛半径不变,可知$\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{(-1)^{n + 1}x^n}{n}$的收敛半径$R = 1$,即收敛区间为$(-1,1)$。
- 当$x = 1$时,幂级数变为$\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{(-1)^{n + 1}}{n}$,这是一个交错调和级数,根据交错级数的莱布尼茨判别法,$u_n=\frac{1}{n}$单调递减且$\lim_{n\rightarrow\infty}u_n=\lim_{n\rightarrow\infty}\frac{1}{n}=0$,所以该级数收敛。
- 当$x = -1$时,幂级数变为$\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{(-1)^{n + 1}(-1)^n}{n}=\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{-1}{n}=-\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{1}{n}$,这是调和级数,调和级数是发散的。
综上,$\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{(-1)^{n + 1}x^n}{n}$的收敛域为$(-1,1]$。