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数学
题目

(本题满分8分)求幂级数sum_(n=0)^infty(n+1)x^n的收敛域与和函数.

(本题满分8分)求幂级数$\sum_{n=0}^{\infty}(n+1)x^{n}$的收敛域与和函数.

题目解答

答案

1. **确定收敛半径**: 使用比值判别法,设 $a_n = n+1$,则 \[ R = \lim_{n \to \infty} \left| \frac{a_n}{a_{n+1}} \right| = \lim_{n \to \infty} \frac{n+1}{n+2} = 1. \] 故收敛半径 $R = 1$。 2. **确定收敛域**: 当 $x = \pm 1$ 时,级数发散(通项不趋于零),因此收敛域为 $(-1, 1)$。 3. **求和函数**: 考虑几何级数求导, \[ \sum_{n=0}^{\infty} x^n = \frac{1}{1-x} \quad (|x| < 1), \] 求导得 \[ \sum_{n=1}^{\infty} n x^{n-1} = \frac{1}{(1-x)^2}. \] 乘以 $x$ 并调整下标, \[ \sum_{n=1}^{\infty} n x^n = \frac{x}{(1-x)^2}. \] 加上常数项, \[ \sum_{n=0}^{\infty} (n+1)x^n = \frac{x}{(1-x)^2} + \frac{1}{1-x} = \frac{1}{(1-x)^2}. \] **答案**: 收敛域为 $(-1, 1)$,和函数为 $\boxed{\frac{1}{(1-x)^2}}$。

解析

考查要点:本题主要考查幂级数的收敛域求解方法以及通过已知基本级数(如几何级数)的导数来求和函数的能力。

解题核心思路:

  1. 收敛域:利用比值法确定收敛半径,再分别检验端点$x=1$和$x=-1$处的收敛性。
  2. 和函数:通过几何级数的导数推导出目标级数的和函数,注意调整级数的起始项和形式。

破题关键点:

  • 比值法求收敛半径:正确应用比值法公式,注意通项系数的处理。
  • 端点检验:判断通项是否趋于零,直接排除发散情况。
  • 级数构造:将目标级数拆解为已知级数的组合,通过求导和代数运算求和。

1. 确定收敛半径

设通项系数为$a_n = n+1$,根据比值法:
$R = \lim_{n \to \infty} \left| \frac{a_n}{a_{n+1}} \right| = \lim_{n \to \infty} \frac{n+1}{n+2} = 1.$
因此,收敛半径$R = 1$。

2. 确定收敛域

  • 当$x = 1$时,级数变为$\sum_{n=0}^{\infty} (n+1)$,通项不趋于零,级数发散。
  • 当$x = -1$时,级数变为$\sum_{n=0}^{\infty} (n+1)(-1)^n$,通项绝对值为$n+1$,同样不趋于零,级数发散。
    因此,收敛域为$(-1, 1)$。

3. 求和函数

  1. 几何级数基础:
    $\sum_{n=0}^{\infty} x^n = \frac{1}{1-x} \quad (|x| < 1).$
  2. 求导处理:
    对两边求导得:
    $\sum_{n=1}^{\infty} n x^{n-1} = \frac{1}{(1-x)^2}.$
    两边乘以$x$,调整下标:
    $\sum_{n=1}^{\infty} n x^n = \frac{x}{(1-x)^2}.$
  3. 构造目标级数:
    原级数可拆分为:
    $\sum_{n=0}^{\infty} (n+1)x^n = \sum_{n=0}^{\infty} n x^n + \sum_{n=0}^{\infty} x^n.$
    其中:
    • $\sum_{n=0}^{\infty} n x^n = \frac{x}{(1-x)^2}$(当$n=0$时项为0,不影响结果)。
    • $\sum_{n=0}^{\infty} x^n = \frac{1}{1-x}$。
      合并得:
      $\frac{x}{(1-x)^2} + \frac{1}{1-x} = \frac{1}{(1-x)^2}.$

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