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幂级数

幂级数的定义

级数 n=0anxn\sum_{n=0}^{\infty} a_n x^n 称为幂级数。

收敛性

  • 存在收敛半径 RR,当 x<R|x| < R 时收敛,当 x>R|x| > R 时发散
  • 收敛半径可以通过比值判别法或根值判别法求得

收敛半径的求法

比值判别法

如果 limnan+1an=L\lim_{n \to \infty} \left|\frac{a_{n+1}}{a_n}\right| = L,则:

  • L=0L = 0 时,R=+R = +\infty
  • L=+L = +\infty 时,R=0R = 0
  • 0<L<+0 < L < +\infty 时,R=1LR = \frac{1}{L}

根值判别法

如果 limnann=L\lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{|a_n|} = L,则:

  • L=0L = 0 时,R=+R = +\infty
  • L=+L = +\infty 时,R=0R = 0
  • 0<L<+0 < L < +\infty 时,R=1LR = \frac{1}{L}

例题

例 1

求幂级数 n=0xnn!\sum_{n=0}^{\infty} \frac{x^n}{n!} 的收敛半径。

an=1n!a_n = \frac{1}{n!}

limnan+1an=limnn!(n+1)!=limn1n+1=0\lim_{n \to \infty} \left|\frac{a_{n+1}}{a_n}\right| = \lim_{n \to \infty} \frac{n!}{(n+1)!} = \lim_{n \to \infty} \frac{1}{n+1} = 0

所以收敛半径 R=+R = +\infty,即对任意实数 xx 都收敛。

例 2

求幂级数 n=0xn\sum_{n=0}^{\infty} x^n 的收敛半径。

an=1a_n = 1

limnan+1an=limn1=1\lim_{n \to \infty} \left|\frac{a_{n+1}}{a_n}\right| = \lim_{n \to \infty} 1 = 1

所以收敛半径 R=1R = 1,即当 x<1|x| < 1 时收敛。

例 3

求幂级数 n=0n!xn\sum_{n=0}^{\infty} n! x^n 的收敛半径。

an=n!a_n = n!

limnan+1an=limn(n+1)!n!=limn(n+1)=+\lim_{n \to \infty} \left|\frac{a_{n+1}}{a_n}\right| = \lim_{n \to \infty} \frac{(n+1)!}{n!} = \lim_{n \to \infty} (n+1) = +\infty

所以收敛半径 R=0R = 0,即只在 x=0x = 0 时收敛。

例 4

求幂级数 n=0xnn2\sum_{n=0}^{\infty} \frac{x^n}{n^2} 的收敛半径。

an=1n2a_n = \frac{1}{n^2}

limnan+1an=limnn2(n+1)2=1\lim_{n \to \infty} \left|\frac{a_{n+1}}{a_n}\right| = \lim_{n \to \infty} \frac{n^2}{(n+1)^2} = 1

所以收敛半径 R=1R = 1,即当 x<1|x| < 1 时收敛。

练习题

练习 1

求幂级数 n=0n!xn\sum_{n=0}^{\infty} n! x^n 的收敛半径。

参考答案

解题思路: 使用比值判别法求收敛半径。

详细步骤

  1. 识别级数类型:n=0n!xn\sum_{n=0}^{\infty} n! x^n 是幂级数
  2. 确定系数:an=n!a_n = n!
  3. 计算比值:limnan+1an=limn(n+1)!n!=limn(n+1)=+\lim_{n \to \infty} \left|\frac{a_{n+1}}{a_n}\right| = \lim_{n \to \infty} \frac{(n+1)!}{n!} = \lim_{n \to \infty} (n+1) = +\infty
  4. 收敛半径:R=1+=0R = \frac{1}{+\infty} = 0

答案: 收敛半径为 00,即只在 x=0x = 0 时收敛。

练习 2

求幂级数 n=0xnn2\sum_{n=0}^{\infty} \frac{x^n}{n^2} 的收敛半径。

参考答案

解题思路: 使用比值判别法求收敛半径。

详细步骤

  1. 识别级数类型:n=0xnn2\sum_{n=0}^{\infty} \frac{x^n}{n^2} 是幂级数
  2. 确定系数:an=1n2a_n = \frac{1}{n^2}
  3. 计算比值:limnan+1an=limnn2(n+1)2=1\lim_{n \to \infty} \left|\frac{a_{n+1}}{a_n}\right| = \lim_{n \to \infty} \frac{n^2}{(n+1)^2} = 1
  4. 收敛半径:R=11=1R = \frac{1}{1} = 1

答案: 收敛半径为 11,即当 x<1|x| < 1 时收敛。

练习 3

求幂级数 n=0xnn3\sum_{n=0}^{\infty} \frac{x^n}{n^3} 的收敛半径。

参考答案

解题思路: 使用比值判别法求收敛半径。

详细步骤

  1. 识别级数类型:n=0xnn3\sum_{n=0}^{\infty} \frac{x^n}{n^3} 是幂级数
  2. 确定系数:an=1n3a_n = \frac{1}{n^3}
  3. 计算比值:limnan+1an=limnn3(n+1)3=1\lim_{n \to \infty} \left|\frac{a_{n+1}}{a_n}\right| = \lim_{n \to \infty} \frac{n^3}{(n+1)^3} = 1
  4. 收敛半径:R=11=1R = \frac{1}{1} = 1

答案: 收敛半径为 11,即当 x<1|x| < 1 时收敛。

练习 4

求幂级数 n=0xn2n\sum_{n=0}^{\infty} \frac{x^n}{2^n} 的收敛半径。

参考答案

解题思路: 使用比值判别法求收敛半径。

详细步骤

  1. 识别级数类型:n=0xn2n\sum_{n=0}^{\infty} \frac{x^n}{2^n} 是幂级数
  2. 确定系数:an=12na_n = \frac{1}{2^n}
  3. 计算比值:limnan+1an=limn2n2n+1=12\lim_{n \to \infty} \left|\frac{a_{n+1}}{a_n}\right| = \lim_{n \to \infty} \frac{2^n}{2^{n+1}} = \frac{1}{2}
  4. 收敛半径:R=112=2R = \frac{1}{\frac{1}{2}} = 2

答案: 收敛半径为 22,即当 x<2|x| < 2 时收敛。

练习 5

求幂级数 n=0xnn!\sum_{n=0}^{\infty} \frac{x^n}{n!} 的收敛半径。

参考答案

解题思路: 使用比值判别法求收敛半径。

详细步骤

  1. 识别级数类型:n=0xnn!\sum_{n=0}^{\infty} \frac{x^n}{n!} 是幂级数
  2. 确定系数:an=1n!a_n = \frac{1}{n!}
  3. 计算比值:limnan+1an=limnn!(n+1)!=limn1n+1=0\lim_{n \to \infty} \left|\frac{a_{n+1}}{a_n}\right| = \lim_{n \to \infty} \frac{n!}{(n+1)!} = \lim_{n \to \infty} \frac{1}{n+1} = 0
  4. 收敛半径:R=10=+R = \frac{1}{0} = +\infty

答案: 收敛半径为 ++\infty,即对任意实数 xx 都收敛。

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