6.[单选题] 幂级数sum_(n=1)^infty(x^n)/(n)的收敛域是().A. [-1,1]B. (-1,1)C. [-1,1)D. (-1,1]
A. [-1,1]
B. (-1,1)
C. [-1,1)
D. (-1,1]
题目解答
答案
解析
本题考查幂级数收敛域的求解,解题思路是是先求出幂级数的收敛半径,再分别判断幂级数在收敛区间端点处的敛散性,进而确定收敛域。
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求幂级数的收敛半径$R$:
对于幂级数$\sum_{n = 1}^{\infty}a_{n}x^{n}$($a_{n}$为幂级数的系数),其收敛半径$R$的计算公式为$R=\lim\limits_{n \to \infty}|\\vert\left|\frac{a_{n}}{a_{n + 1}}\right|$(当该极限存在时)。
在幂级数$\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{x^{n}}{n}$中,$a_{n}=\frac{1}{n}$,$a_{n + 1}=\frac{1}{n + 1}$,则:
$R=\lim\limits_{n \to \infty}\left|\frac{a_{n}}{a_{n + 1}}\right|=\lim\limits_{n \to \infty}\left|\frac{\frac{1}{n}}{\frac{1}{n + 1}}|=\lim\limits_{n \to \infty}\frac{n + + 1}{n}$
分子分母同时除以$n$可得:$\lim\limits_{n \to \infty}\frac{n + 1}{n}=\lim\limits_{n \to \infty}\frac{1+\frac{1}{n}}{1}=1$
所以,该幂级数的收敛半径$R = 1$。 -
确定收敛区间:由收敛半径$R = 1$可知,幂级数的收敛区间为$(-1,1)$。
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判断端点处的敛散性:
- 当$x = 1$时,幂级数变为$\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{1}{n}}$,这是调和级数,根据调和级数的性质可知$\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{1{n}$是发散的。
- 当$x = -1$时,幂级数变为$\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{(-1)^{n}}{n}$,这是一个交错级数。根据交错级数的莱布尼茨判别法:若交错级数$\sum_{n = 1}^{\infty}(-1)^{n}u_{n}$($u_{n答案都要得到一个收敛的常数项级数)满足\(u_{n}\geq u_{n + 1}$($n = 1,2,\cdots$)且$\lim\limits_{n \to \infty}u_{n}=0$,则该交错级数收敛。
在$\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{(-1)^{n}}{n}$中,$u_{n}=\frac{1}{n}$,显然$u_{n}=\frac{1}{n}\gt\frac{1}{n + 1}=u_{n + 1}}$($n = 1,2,\cdots$),且$\lim\limits_{n \to \infty}\frac{1}{n}=0$,所以$\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{(-1)^{n}}{n}}{n}$收敛。
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确定收敛域:综合上述分析,幂级数$\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{x^{n}}{n}$在$x = -1$处收敛,在$x = 1$处发散,所以其收敛域为$[-1,1)$。