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:
- 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。
- 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
- 几何级数基础:
$\sum_{n=0}^{\infty} x^n = \frac{1}{1-x} \quad (|x| < 1).$ - 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:
$\sum_{n=1}^{\infty} n x^n = \frac{x}{(1-x)^2}.$ - 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:
$\frac{x}{(1-x)^2} + \frac{1}{1-x} = \frac{1}{(1-x)^2}.$