题目
4.(单选题) 幂级数sum_(n=1)^infty((x-1)^n)/(2^n)的收敛域为()A. xin(-1,3];B. xin[-1,3].C. xin(-1,3);D. xin[-1,3);
4.(单选题) 幂级数$\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(x-1)^{n}}{2^{n}}$的收敛域为()
A. $x\in(-1,3]$;
B. $x\in[-1,3]$.
C. $x\in(-1,3)$;
D. $x\in[-1,3)$;
题目解答
答案
C. $x\in(-1,3)$;
解析
本题考查幂级数收敛域的求解,解题思路是先求出幂级数的收敛半径,再判断收敛区间端点处的敛散性,进而确定收敛域。
- 求幂级数的收敛半径$R$:
对于幂级数$\sum_{n = 1}^{\infty}a_n(x - x_0)^n$(本题中$a_n=\frac{1}{2^n}$,$x_0 = 1$),可使用比值判别法求收敛半径$R$。
根据比值判别法,计算$\lim\limits_{n \to \infty}\left|\frac{a_{n + 1}}{a_n}\right|$的值:
已知$a_n=\frac{1}{2^n}$,$a_{n + 1}=\frac{1}{2^{n + 1}}$,则$\lim\limits_{n \to \infty}\left|\frac{a_{n + 1}}{a_n}\right|=\lim\limits_{n \to \infty}\left|\frac{\frac{1}{2^{n + 1}}}{\frac{1}{2^n}}\right|$。
根据除法运算法则,除以一个数等于乘以它的倒数,可得$\lim\limits_{n \to \infty}\left|\frac{\frac{1}{2^{n + 1}}}{\frac{1}{2^n}}\right|=\lim\limits_{n \to \infty}\left|\frac{1}{2^{n + 1}}\times 2^n\right|$。
根据指数运算法则$a^m\times a^n=a^{m + n}$,可得$\lim\limits_{n \to \infty}\left|\frac{1}{2^{n + 1}}\times 2^n\right|=\lim\limits_{n \to \infty}\left|\frac{2^n}{2^{n + 1}}\right|=\lim\limits_{n \to \infty}\left|\frac{1}{2}\right|=\frac{1}{2}$。
由收敛半径的计算公式$R = \frac{1}{\lim\limits_{n \to \infty}\left|\frac{a_{n + 1}}{a_n}\right|}$,可得$R = \frac{1}{\frac{1}{2}} = 2$。 - 确定收敛区间:
已知收敛半径$R = 2$,$x_0 = 1$,则收敛区间为$(x_0 - R, x_0 + R)$,即$(1 - 2, 1 + 2)$,也就是$(-1, 3)$。 - 判断端点处的敛散性:
- 当$x = -1$时,幂级数变为$\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{(-1 - 1)^{n}}{2^{n}}=\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{(-2)^{n}}{2^{n}}=\sum_{n = 1}^{\infty}(-1)^{n}$。
根据级数收敛的必要条件,若级数$\sum_{n = 1}^{\infty}u_n$收敛,则$\lim\limits_{n \to \infty}u_n = 0$。
对于$\sum_{n = 1}^{\infty}(-1)^{n}$,$\lim\limits_{n \to \infty}(-1)^{n}$不存在,不满足级数收敛的必要条件,所以该级数发散。 - 当$x = 3$时,幂级数变为$\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{(3 - 1)^{n}}{2^{n}}=\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{2^{n}}{2^{n}}=\sum_{n = 1}^{\infty}1$。
同样根据级数收敛的必要条件,$\lim\limits_{n \to \infty}1 = 1\neq 0$,所以该级数发散。
- 当$x = -1$时,幂级数变为$\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{(-1 - 1)^{n}}{2^{n}}=\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{(-2)^{n}}{2^{n}}=\sum_{n = 1}^{\infty}(-1)^{n}$。
综上,幂级数$\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{(x - 1)^{n}}{2^{n}}$的收敛域为$(-1, 3)$。