级数 sum_(n=0)^infty (x^n)/(n+1) (-1 leq x A. } -ln(1-x), & x neq 0 1, & x = 0
A. $\begin{cases} -\ln(1-x), & x \neq 0 \\ 1, & x = 0 \end{cases}$
B. $\begin{cases} \frac{1}{x} \ln(1-x), & x \neq 0 \\ 1, & x = 0 \end{cases}$
C. $\begin{cases} -\frac{1}{x} \ln(1-x), & x \neq 0 \\ 1, & x = 0 \end{cases}$
D. $\begin{cases} -\frac{1}{x^2} \ln(1-x), & x \neq 0 \\ 1, & x = 0 \end{cases}$
题目解答
答案
解析
考查要点:本题主要考查幂级数的求和方法,特别是通过逐项积分几何级数来求解特定形式的级数和函数。
解题核心思路:
- 关联几何级数:已知几何级数$\sum_{n=0}^{\infty} x^n = \frac{1}{1-x}$($|x| < 1$),通过逐项积分将其转化为与题目级数相关的形式。
- 积分操作:对几何级数逐项积分,得到与题目级数$\sum_{n=0}^{\infty} \frac{x^n}{n+1}$的关系式。
- 分段讨论:处理$x=0$时的特殊情况,直接代入计算首项值。
破题关键点:
- 逐项积分的合法性:在收敛区间内,几何级数的逐项积分结果有效。
- 代数变形:通过积分结果建立方程,解出和函数表达式。
- 分段函数的定义:注意$x=0$时级数的首项单独计算。
步骤1:关联几何级数与逐项积分
已知几何级数:
$\sum_{n=0}^{\infty} x^n = \frac{1}{1-x} \quad (|x| < 1).$
对两边从$0$到$x$逐项积分:
$\int_0^x \sum_{n=0}^{\infty} t^n \, dt = \int_0^x \frac{1}{1-t} \, dt.$
左边逐项积分得:
$\sum_{n=0}^{\infty} \int_0^x t^n \, dt = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{x^{n+1}}{n+1} = x \sum_{n=0}^{\infty} \frac{x^n}{n+1} = x S(x),$
其中$S(x)$为题目级数的和函数。右边积分结果为:
$-\ln(1-x).$
步骤2:解方程求和函数
由上述等式得:
$x S(x) = -\ln(1-x) \quad \Rightarrow \quad S(x) = -\frac{\ln(1-x)}{x} \quad (x \neq 0).$
步骤3:处理$x=0$的情况
当$x=0$时,原级数首项为$\frac{0^0}{0+1} = 1$,其余项均为$0$,故:
$S(0) = 1.$
最终和函数
综合上述结果,和函数为:
$S(x) = \begin{cases} -\dfrac{\ln(1-x)}{x}, & x \neq 0, \\ 1, & x = 0.\end{cases}$