Math Analysis Homework - Sem 2 Week 3
T1
1. 求下列幂级数的收敛域:
(2) ∑ n = 1 ∞ ( 1 + 1 n ) n 2 x n \sum_{n=1}^\infty \left(1+\frac{1}{n}\right)^{n^2} x^n ∑ n = 1 ∞ ( 1 + n 1 ) n 2 x n ;
R = 1 / lim sup n → ∞ ( 1 + 1 n ) n 2 n = 1 / lim sup n → ∞ ( 1 + 1 n ) n = 1 e when x = ± 1 e , ln [ ( 1 + 1 n ) n 2 x n ] = ln [ ( ( 1 + 1 n ) n 1 e ) n ] = n ( n ln ( 1 + 1 n ) − 1 ) → − 1 2 lim n → ∞ ∣ ( 1 + 1 n ) n 2 x n ∣ = 1 e 1 2 ≠ 0 , not convergent thus the convergent range is ( − 1 e , 1 e ) \begin{gathered}
R=1/\limsup_{n\to \infty} \sqrt[n]{(1+\dfrac1n)^{n^2}} \\
=1/\limsup_{n\to \infty} (1+\dfrac{1}{n} )^n \\
=\frac1e \\
\text{when } x=\pm\frac1e, \\
\ln [(1+\dfrac{1}{n} )^{n^2}x^n] \\
=\ln [((1+\dfrac{1}{n} )^n\frac1e)^n] \\
=n(n\ln(1+\dfrac1n)-1) \\
\to -\dfrac12 \\
\lim_{n \to \infty} |(1+\dfrac{1}{n} )^{n^2} x^n|=\dfrac{1}{e^\frac12} \ne 0,
\text{not convergent} \\
\text{thus the convergent range is } (-\dfrac{1}{e} ,\dfrac{1}{e} )
\end{gathered} R = 1/ n → ∞ lim sup n ( 1 + n 1 ) n 2 = 1/ n → ∞ lim sup ( 1 + n 1 ) n = e 1 when x = ± e 1 , ln [( 1 + n 1 ) n 2 x n ] = ln [(( 1 + n 1 ) n e 1 ) n ] = n ( n ln ( 1 + n 1 ) − 1 ) → − 2 1 n → ∞ lim ∣ ( 1 + n 1 ) n 2 x n ∣ = e 2 1 1 = 0 , not convergent thus the convergent range is ( − e 1 , e 1 )
T2
1. 求下列幂级数的收敛域:
(6) ∑ n = 1 ∞ ( a n n + b n n 2 ) x n , a > 0 , b > 0 \sum_{n=1}^\infty \left(\frac{a^n}{n} + \frac{b^n}{n^2}\right) x^n, a>0, b>0 ∑ n = 1 ∞ ( n a n + n 2 b n ) x n , a > 0 , b > 0 ;
R = 1 / lim sup n a n n + b n n 2 n = 1 max ( a , b ) \begin{gathered}
R=1/\limsup_n \sqrt[ n ]{ \dfrac{a^n}{n} +\dfrac{b^n}{n^2} } =\dfrac1{\max(a,b)} \\
\end{gathered} R = 1/ n lim sup n n a n + n 2 b n = max ( a , b ) 1
设通项为c n , f ( x ) = ∑ n = 1 ∞ c n x n c_n,f(x)=\sum_{n=1}^\infty c_nx^n c n , f ( x ) = ∑ n = 1 ∞ c n x n
若a ≥ b a\ge b a ≥ b :
若x = 1 a x=\dfrac1a x = a 1 时有 lim n → ∞ c n x n 1 n = 1 \lim_{n \to \infty} \dfrac{c_nx^n}{\dfrac1n}=1 lim n → ∞ n 1 c n x n = 1 ,由比较判别法知发散.
x = − 1 a x=-\dfrac1a x = − a 1 时:
f ( x ) = ∑ n = 1 ∞ c 2 n x 2 n + c 2 n + 1 x 2 n + 1 = ∑ n = 1 ∞ ( 1 2 n − 1 2 n + 1 ) + b 2 n a 2 n ( 1 2 n − a b ( 2 n + 1 ) 2 ) \begin{gathered}
f(x)=\sum _{n = 1} ^{\infty} c_{2n}x^{2n}+c^{2n+1}x^{2n+1} \\
=\sum _{n = 1} ^{\infty} (\dfrac{1}{2n} -\dfrac{1}{2n+1}) +\dfrac{b^{2n}}{a^{2n}}(\dfrac{1}{2n} - \dfrac{a}{b(2n+1)^2} )
\end{gathered} f ( x ) = n = 1 ∑ ∞ c 2 n x 2 n + c 2 n + 1 x 2 n + 1 = n = 1 ∑ ∞ ( 2 n 1 − 2 n + 1 1 ) + a 2 n b 2 n ( 2 n 1 − b ( 2 n + 1 ) 2 a )
其中第一部分收敛,第二部分括号里有界所以也收敛,于是收敛.
若b > a b>a b > a ,x = ± 1 b x=\pm \dfrac1b x = ± b 1 :
lim n → ∞ ∣ a n n + b n n 2 x n ∣ 1 n 2 = 1 \begin{gathered}
\lim_{n \to \infty} \dfrac{|\dfrac{a^n}{n} +\dfrac{b^n}{n^2} x^n |}{\dfrac{1}{n^2} } =1 \\
\end{gathered} n → ∞ lim n 2 1 ∣ n a n + n 2 b n x n ∣ = 1
由比较判别法知绝对收敛.
故收敛域为:
{ [ − 1 b , 1 b ] , b > a [ − 1 a , 1 a ) , a ≥ b \begin{gathered}
\begin{cases}
[-\dfrac{1}{b} ,\dfrac{1}{b} ],b>a \\
[-\dfrac{1}{a} ,\dfrac{1}{a} ),a\ge b
\end{cases}
\end{gathered} ⎩ ⎨ ⎧ [ − b 1 , b 1 ] , b > a [ − a 1 , a 1 ) , a ≥ b
T3
1. 求下列幂级数的收敛域:
(8) ∑ n = 1 ∞ n ! n n x n \sum_{n=1}^\infty \frac{n!}{n^n} x^n ∑ n = 1 ∞ n n n ! x n ;
lim n → ∞ c n c n − 1 = lim n → ∞ n ( n − 1 ) n − 1 n n = lim n → ∞ ( 1 − 1 n ) n − 1 = 1 e ⟹ R = e \begin{gathered}
\lim_{n \to \infty} \dfrac{c_{n}}{c_{n-1}}=\lim_{n \to \infty} n\dfrac{(n-1)^{n-1}}{n^n} =\lim_{n \to \infty} (1-\dfrac{1}{n} )^{n-1}=\frac1e \\
\implies R=e
\end{gathered} n → ∞ lim c n − 1 c n = n → ∞ lim n n n ( n − 1 ) n − 1 = n → ∞ lim ( 1 − n 1 ) n − 1 = e 1 ⟹ R = e
x ± e x\pm e x ± e 时:
lim n → ∞ n ! n n e n = lim n → ∞ e n n n 2 n π ( n e ) n = 2 π n ≠ 0 \begin{gathered}
\lim_{n \to \infty} \dfrac{n!}{n^n} e^n
=\lim_{n \to \infty} \dfrac{e^n}{n^n} \sqrt{ 2n\pi } (\dfrac{n}{e} )^n=\sqrt{ 2\pi n } \ne 0
\end{gathered} n → ∞ lim n n n ! e n = n → ∞ lim n n e n 2 nπ ( e n ) n = 2 π n = 0
不收敛.
于是收敛域为( − e , e ) (-e,e) ( − e , e )
T4
2. 设 ∑ n = 0 ∞ a n x n \sum_{n=0}^\infty a_n x^n ∑ n = 0 ∞ a n x n 和 ∑ n = 0 ∞ b n x n \sum_{n=0}^\infty b_n x^n ∑ n = 0 ∞ b n x n 的收敛半径分别为 r 1 r_1 r 1 和 r 2 r_2 r 2 , 证明:
(1) ∑ n = 0 ∞ ( a n + b n ) x n \sum_{n=0}^\infty (a_n + b_n) x^n ∑ n = 0 ∞ ( a n + b n ) x n 的收敛半径 r ≥ min { r 1 , r 2 } r \ge \min\{r_1, r_2\} r ≥ min { r 1 , r 2 } , 且当 r 1 ≠ r 2 r_1 \neq r_2 r 1 = r 2 时, 有 r = min { r 1 , r 2 } r = \min\{r_1, r_2\} r = min { r 1 , r 2 } ; 当 r 1 = r 2 r_1 = r_2 r 1 = r 2 时, r r r 可能大于 r 1 r_1 r 1 ;
(2) ∑ n = 0 ∞ ( a n b n ) x n \sum_{n=0}^\infty (a_n b_n) x^n ∑ n = 0 ∞ ( a n b n ) x n 的收敛半径 r ≥ r 1 r 2 r \ge r_1 r_2 r ≥ r 1 r 2 .
(1):
R a = lim sup n → ∞ ∣ a n ∣ n = 1 r 1 R b = lim sup n → ∞ ∣ b n ∣ n = 1 r 2 R = lim sup n → ∞ ∣ a n + b n ∣ n ≤ 2 max ( ∣ a n ∣ , ∣ b n ∣ ) n ⟹ R ≤ max ( R a , R b ) ⟹ r ≥ min ( r 1 , r 2 ) when r 1 ≠ r 2 , assume r 1 < r 2 , R = lim sup n → ∞ ∣ a n + b n ∣ n ≥ lim sup n → ∞ ∣ a n ∣ n = R a ⟹ r ≤ r 1 ⟹ r = r 1 when r 1 = r 2 , let a n = 1 , b n = − 1 , r = ∞ > r 1 = r 2 = 1 \begin{gathered}
R_a=\limsup_{n\to \infty} \sqrt[n]{|a_n|} =\dfrac1{r_1} \\
R_b=\limsup_{n\to \infty} \sqrt[n]{|b_n|} =\dfrac1{r_2} \\
R=\limsup_{n\to \infty} \sqrt[n]{|a_n+b_n|} \le \sqrt[ n ]{ 2\max(|a_n|,|b_n|) } \\
\implies R \le \max(R_a,R_b) \\
\implies r \ge \min(r_1,r_2) \\
\text{when } r_1 \ne r_2, \\
\text{assume } r_1 < r_2, \\
R=\limsup_{n\to \infty} \sqrt[n]{|a_n+b_n|} \\
\ge \limsup_{n\to \infty} \sqrt[n]{|a_n|} =R_a \\
\implies r \le r_1 \implies r=r_1 \\
\text{when } r_1=r_2, \\
\text{let } a_n=1,b_n=-1,r=\infty>r_1=r_2=1 \\
\end{gathered} R a = n → ∞ lim sup n ∣ a n ∣ = r 1 1 R b = n → ∞ lim sup n ∣ b n ∣ = r 2 1 R = n → ∞ lim sup n ∣ a n + b n ∣ ≤ n 2 max ( ∣ a n ∣ , ∣ b n ∣ ) ⟹ R ≤ max ( R a , R b ) ⟹ r ≥ min ( r 1 , r 2 ) when r 1 = r 2 , assume r 1 < r 2 , R = n → ∞ lim sup n ∣ a n + b n ∣ ≥ n → ∞ lim sup n ∣ a n ∣ = R a ⟹ r ≤ r 1 ⟹ r = r 1 when r 1 = r 2 , let a n = 1 , b n = − 1 , r = ∞ > r 1 = r 2 = 1
(2):
lim sup n → ∞ ∣ a n b n ∣ n ≤ lim sup n → ∞ ∣ a n ∣ n ⋅ lim sup n → ∞ ∣ b n ∣ n = 1 r 1 r 2 ⟹ r ≥ r 1 r 2 \begin{gathered}
\limsup _{n\to \infty} \sqrt[n]{|a_nb_n|} \le \limsup_{n\to \infty} \sqrt[n]{|a_n|}\cdot \limsup_{n\to \infty} \sqrt[n]{|b_n|} =\dfrac{1}{r_1r_2} \\
\implies r \ge r_1r_2
\end{gathered} n → ∞ lim sup n ∣ a n b n ∣ ≤ n → ∞ lim sup n ∣ a n ∣ ⋅ n → ∞ lim sup n ∣ b n ∣ = r 1 r 2 1 ⟹ r ≥ r 1 r 2
对上极限的不等号,考虑取a n b n a_nb_n a n b n 取最大值的子列为a n k b n k a_{n_k}b_{n_k} a n k b n k ,则显然 lim k → ∞ ∣ a n k b n k ∣ n k = lim k → ∞ ∣ a n k ∣ n k ⋅ ∣ b n k ∣ n k ≤ lim sup ∣ a n ∣ n ⋅ lim sup ∣ b n ∣ n \lim_{k\to \infty} \sqrt[n_k]{|a_{n_k}b_{n_k}|} = \lim_{k\to \infty} \sqrt[n_k]{|a_{n_k}|}\cdot \sqrt[n_k]{|b_{n_k}|} \le \limsup \sqrt[n]{|a_n|}\cdot \limsup \sqrt[n]{|b_n|} lim k → ∞ n k ∣ a n k b n k ∣ = lim k → ∞ n k ∣ a n k ∣ ⋅ n k ∣ b n k ∣ ≤ lim sup n ∣ a n ∣ ⋅ lim sup n ∣ b n ∣ .
T5
3. 设 f ( x ) = ∑ n = 0 ∞ a n x n f(x) = \sum_{n=0}^\infty a_n x^n f ( x ) = ∑ n = 0 ∞ a n x n 在 ( − r , r ) (-r, r) ( − r , r ) 中收敛, 且 ∑ n = 0 ∞ a n n + 1 r n + 1 \sum_{n=0}^\infty \frac{a_n}{n+1} r^{n+1} ∑ n = 0 ∞ n + 1 a n r n + 1 收敛. 证明: 无论 ∑ n = 0 ∞ a n x n \sum_{n=0}^\infty a_n x^n ∑ n = 0 ∞ a n x n 在 x = r x=r x = r 处是否收敛, 都有
∫ 0 r f ( x ) d x = ∑ n = 0 ∞ a n n + 1 r n + 1 \int_0^r f(x)dx = \sum_{n=0}^\infty \frac{a_n}{n+1} r^{n+1} ∫ 0 r f ( x ) d x = ∑ n = 0 ∞ n + 1 a n r n + 1
并由此证明
∫ 0 1 ln 1 1 − x x d x = ∑ n = 1 ∞ 1 n 2 \int_0^1 \frac{\ln \frac{1}{1-x}}{x} dx = \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^2} ∫ 0 1 x l n 1 − x 1 d x = ∑ n = 1 ∞ n 2 1
(1):
由优级数判别法,∀ x ∈ [ − l , l ] ⊂ ( − r , r ) \forall x\in [-l,l]\subset (-r,r) ∀ x ∈ [ − l , l ] ⊂ ( − r , r ) , 有
∑ n = 0 ∞ a n ∣ x ∣ n ≤ ( ∑ n = 0 ∞ a n r n ( l r ) n ) \begin{gathered}
\sum _{n = 0} ^{\infty} a_n|x|^n \le (\sum _{n = 0} ^{\infty} a_nr^n(\dfrac{l}{r} )^n) \\
\end{gathered} n = 0 ∑ ∞ a n ∣ x ∣ n ≤ ( n = 0 ∑ ∞ a n r n ( r l ) n )
其中因为a n r n a_nr^n a n r n 收敛到0 0 0 所以有界,优级数绝对收敛,所以幂级数f f f 内闭一致收敛.于是可以逐项积分,得到∀ r ′ ∈ ( − r , r ) \forall r'\in (-r,r) ∀ r ′ ∈ ( − r , r ) :
lim r ′ → r ∫ 0 r ′ f ( x ) d x = lim r ′ → r ∑ n = 0 ∞ ∫ 0 r ′ a n x n d x = lim r ′ → r ∑ n = 0 ∞ a n n + 1 ( r ′ ) n + 1 \begin{gathered}
\lim_{r' \to r} \int_0^{r'} f(x)dx = \lim_{r' \to r} \sum_{n=0}^\infty \int_0^{r'} a_n x^n dx = \lim_{r' \to r} \sum_{n=0}^\infty \frac{a_n}{n+1} (r')^{n+1}
\end{gathered} r ′ → r lim ∫ 0 r ′ f ( x ) d x = r ′ → r lim n = 0 ∑ ∞ ∫ 0 r ′ a n x n d x = r ′ → r lim n = 0 ∑ ∞ n + 1 a n ( r ′ ) n + 1
此时已知右边的级数在闭区间上收敛所以一致收敛所以连续,于是即
∫ 0 r f ( x ) d x = ∑ n = 0 ∞ a n n + 1 r n + 1 \begin{gathered}
\int_0^r f(x)dx = \sum_{n=0}^\infty \frac{a_n}{n+1} r^{n+1}
\end{gathered} ∫ 0 r f ( x ) d x = n = 0 ∑ ∞ n + 1 a n r n + 1
(2):
∫ 0 1 ln 1 1 − x x d x = ∫ 0 1 ∑ n = 0 ∞ x n n + 1 d x \begin{gathered}
\int_0^1 \dfrac{\ln \frac{1}{1-x}}{x} dx \\
=\int_0^1 \sum _{n = 0} ^{\infty} \dfrac{x^n}{n+1} dx \\
\end{gathered} ∫ 0 1 x ln 1 − x 1 d x = ∫ 0 1 n = 0 ∑ ∞ n + 1 x n d x
注意到该级数的收敛于为( − 1 , 1 ) (-1,1) ( − 1 , 1 ) ,而我们知道 ∑ n 1 n 2 \sum_n \dfrac1{n^2} ∑ n n 2 1 收敛,于是
= ∑ n = 0 ∞ 1 n + 1 ∫ 0 1 x n d x = ∑ n = 0 ∞ 1 ( n + 1 ) 2 = ∑ n = 1 ∞ 1 n 2 \begin{gathered}
=\sum _{n = 0} ^{\infty} \dfrac{1}{n+1} \int_0^1 x^n dx \\
=\sum _{n = 0} ^{\infty} \dfrac{1}{(n+1)^2} \\
=\sum _{n = 1} ^{\infty} \dfrac{1}{n^2}
\end{gathered} = n = 0 ∑ ∞ n + 1 1 ∫ 0 1 x n d x = n = 0 ∑ ∞ ( n + 1 ) 2 1 = n = 1 ∑ ∞ n 2 1
T6
4. 求下列幂级数的和函数, 并指出等式成立的范围:
(6) f ( x ) = ∑ n = 1 ∞ 2 n + 1 n ! x 2 n f(x)=\sum_{n=1}^\infty \frac{2n+1}{n!} x^{2n} f ( x ) = ∑ n = 1 ∞ n ! 2 n + 1 x 2 n ;
收敛半径为
R = 1 lim sup n → ∞ 2 n + 1 n ! n = ∞ \begin{gathered}
R=\dfrac{1}{\limsup_{n\to \infty} \sqrt[ n ]{ \dfrac{2n+1}{n!} } } =\infty
\end{gathered} R = lim sup n → ∞ n n ! 2 n + 1 1 = ∞
由T5,因为∀ X ∈ R \forall X\in R ∀ X ∈ R ,级数:
∑ n = 1 ∞ 2 n + 1 n ! 2 n + 1 x 2 n + 1 = x e x 2 − x \begin{gathered}
\sum _{n = 1} ^{\infty} \dfrac{\dfrac{2n+1}{n!} }{2n+1} x^{2n+1}=xe^{x^2}-x
\end{gathered} n = 1 ∑ ∞ 2 n + 1 n ! 2 n + 1 x 2 n + 1 = x e x 2 − x
收敛,所以
∫ 0 X f ( x ) d x = ∫ 0 X ∑ n = 1 ∞ 2 n + 1 n ! x 2 n d x = ∑ n = 1 ∞ 2 n + 1 n ! ∫ 0 X x 2 n d x = ∑ n = 1 ∞ X 2 n + 1 n ! = X e X 2 − X \begin{gathered}
\int_0^X f(x)dx \\
=\int_0^X \sum_{n=1}^\infty \frac{2n+1}{n!} x^{2n} dx \\
=\sum_{n=1}^\infty \frac{2n+1}{n!} \int_0^X x^{2n} dx \\
=\sum _{n = 1} ^{\infty} \dfrac{X^{2n+1}}{n!} \\
=Xe^{X^2}-X
\end{gathered} ∫ 0 X f ( x ) d x = ∫ 0 X n = 1 ∑ ∞ n ! 2 n + 1 x 2 n d x = n = 1 ∑ ∞ n ! 2 n + 1 ∫ 0 X x 2 n d x = n = 1 ∑ ∞ n ! X 2 n + 1 = X e X 2 − X
于是
f ( x ) = d d x ∫ 0 X f ( x ) d x = d d x ( X e X 2 − X ) = e X 2 + 2 X 2 e X 2 − 1 \begin{gathered}
f(x)=\dfrac{d}{dx} \int_0^X f(x)dx \\
=\dfrac{d}{dx} (Xe^{X^2}-X) \\
=e^{X^2}+2X^2e^{X^2}-1 \\
\end{gathered} f ( x ) = d x d ∫ 0 X f ( x ) d x = d x d ( X e X 2 − X ) = e X 2 + 2 X 2 e X 2 − 1
对任意x x x 成立.
T7
4. 求下列幂级数的和函数, 并指出等式成立的范围:
(9) f ( x ) = ∑ n = 1 ∞ ( − 1 ) n − 1 n 2 x n f(x)=\sum_{n=1}^\infty (-1)^{n-1} n^2 x^n f ( x ) = ∑ n = 1 ∞ ( − 1 ) n − 1 n 2 x n ;
R = 1 / lim sup n → ∞ n 2 n = 1 ∀ X ∈ ( − 1 , 1 ) , ∫ 0 X 1 x f d x = ∑ n = 1 ∞ ∫ 0 x ( − 1 ) n − 1 n 2 x n − 1 d x = ∑ n = 1 ∞ ( − 1 ) n − 1 n X n ∫ 0 Y 1 X ( ∫ 0 X 1 x f d x ) d X = ∑ n = 1 ∞ ( − 1 ) n − 1 Y n = Y 1 + Y \begin{gathered}
R=1/\limsup_{n\to \infty} \sqrt[n]{n^2} =1 \\
\forall X\in (-1,1),
\int_0^X \dfrac1x fdx=\sum _{n = 1} ^{\infty} \int_0^x (-1)^{n-1} n^2 x^{n-1} dx \\
=\sum _{n = 1} ^{\infty} (-1)^{n-1} n X^n \\
\int_0^Y \dfrac1X(\int_0^X \dfrac{1}{x} fdx) dX \\
=\sum _{n = 1} ^{\infty} (-1)^{n-1}Y^{n} \\
=\dfrac{Y}{1+Y}\\
\end{gathered} R = 1/ n → ∞ lim sup n n 2 = 1 ∀ X ∈ ( − 1 , 1 ) , ∫ 0 X x 1 f d x = n = 1 ∑ ∞ ∫ 0 x ( − 1 ) n − 1 n 2 x n − 1 d x = n = 1 ∑ ∞ ( − 1 ) n − 1 n X n ∫ 0 Y X 1 ( ∫ 0 X x 1 f d x ) d X = n = 1 ∑ ∞ ( − 1 ) n − 1 Y n = 1 + Y Y
所以
∫ 1 x ( ∫ 1 x f ) = x 1 + x ⟹ f ( x ) = x ( 1 − x ) ( 1 + x ) 3 \begin{gathered}
\int \dfrac1x(\int \dfrac1x f)=\dfrac{x}{1+x}\\
\implies f(x)=\dfrac{x(1-x)}{(1+x)^3}
\end{gathered} ∫ x 1 ( ∫ x 1 f ) = 1 + x x ⟹ f ( x ) = ( 1 + x ) 3 x ( 1 − x )
当x ∈ ( − 1 , 1 ) x\in (-1,1) x ∈ ( − 1 , 1 ) 时成立.
T8
5. 利用幂级数求下列级数的和:
(2) ∑ n = 2 ∞ 1 ( n 2 − 1 ) 2 n \sum_{n=2}^\infty \frac{1}{(n^2-1)2^n} ∑ n = 2 ∞ ( n 2 − 1 ) 2 n 1 ;
设
f ( x ) = ∑ n = 2 ∞ 1 ( n + 1 ) ( n − 1 ) x n − 1 = ∑ n = 2 ∞ 1 2 ( 1 n − 1 − 1 n + 1 ) x n − 1 = 1 2 ∑ n = 1 ∞ x n n − 1 2 x − 2 ∑ n = 3 ∞ x n n = − 1 2 ln ( 1 − x ) + 1 2 x − 2 ( ln ( 1 − x ) + x 2 2 + x 1 ) \begin{gathered}
f(x)=\sum _{n = 2} ^{\infty} \dfrac{1}{(n+1)(n-1 )} x^{n-1} \\
=\sum _{n = 2} ^{\infty} \dfrac{1}{2} (\dfrac{1}{n-1} -\dfrac{1}{n+1} ) x^{n-1} \\
=\dfrac{1}{2} \sum _{n = 1} ^{\infty} \dfrac{x^n}{n}-\dfrac{1}{2} x^{-2}\sum _{n = 3} ^{\infty} \dfrac{x^n}{n} \\
=-\dfrac{1}{2} \ln (1-x)+\dfrac{1}{2} x^{-2}(\ln (1-x)+\dfrac{x^2}{2} +\dfrac{x}{1} )
\end{gathered} f ( x ) = n = 2 ∑ ∞ ( n + 1 ) ( n − 1 ) 1 x n − 1 = n = 2 ∑ ∞ 2 1 ( n − 1 1 − n + 1 1 ) x n − 1 = 2 1 n = 1 ∑ ∞ n x n − 2 1 x − 2 n = 3 ∑ ∞ n x n = − 2 1 ln ( 1 − x ) + 2 1 x − 2 ( ln ( 1 − x ) + 2 x 2 + 1 x )
其中ln ( 1 − x ) \ln (1-x) ln ( 1 − x ) 的收敛域是( − 1 , 1 ) (-1,1) ( − 1 , 1 ) .
于是
A n s = 1 2 f ( 1 2 ) = 5 8 − 3 4 ln 2 \begin{gathered}
Ans=\dfrac12f(\dfrac{1}{2} )=\dfrac{5}{8} -\dfrac{3}{4} \ln 2
\end{gathered} A n s = 2 1 f ( 2 1 ) = 8 5 − 4 3 ln 2
T9
5. 利用幂级数求下列级数的和:
(3) ∑ n = 1 ∞ n ( n + 2 ) 2 2 ( n + 1 ) \sum_{n=1}^\infty \frac{n(n+2)}{2^{2(n+1)}} ∑ n = 1 ∞ 2 2 ( n + 1 ) n ( n + 2 ) ;
let f ( x ) = ∑ n = 2 ∞ ( n − 1 ) ( n + 1 ) x n \begin{gathered}
\text{let } f(x)=\sum _{n = 2} ^{\infty} (n-1)(n+1)x^n \\
\end{gathered} let f ( x ) = n = 2 ∑ ∞ ( n − 1 ) ( n + 1 ) x n
由比值法易知收敛半径为1 1 1 ,当x < 1 2 x<\dfrac12 x < 2 1 时一致收敛可逐项积分:
∫ 1 x 3 ∫ f ( x ) = ∑ n = 2 ∞ x n − 1 = 1 1 − x − 1 ⟹ f ( x ) = 3 − x ( 1 − x ) 3 x 2 A n s = f ( 1 4 ) = 11 27 \begin{gathered}
\int \dfrac1{x^3} \int f(x) =\sum _{n = 2} ^{\infty} x^{n-1}=\dfrac{1}{1-x}-1 \\
\implies f(x)=\dfrac{3-x}{(1-x)^3}x^2 \\
Ans=f(\dfrac{1}{4} )=\dfrac{11}{27}
\end{gathered} ∫ x 3 1 ∫ f ( x ) = n = 2 ∑ ∞ x n − 1 = 1 − x 1 − 1 ⟹ f ( x ) = ( 1 − x ) 3 3 − x x 2 A n s = f ( 4 1 ) = 27 11
T10
6. 证明:
(1) y = ∑ n = 0 ∞ x 4 n ( 4 n ) ! y = \sum_{n=0}^\infty \frac{x^{4n}}{(4n)!} y = ∑ n = 0 ∞ ( 4 n )! x 4 n 满足 y ( 4 ) = y y^{(4)} = y y ( 4 ) = y ;
(2) y = ∑ n = 0 ∞ x n ( n ! ) 2 y = \sum_{n=0}^\infty \frac{x^n}{(n!)^2} y = ∑ n = 0 ∞ ( n ! ) 2 x n 满足 x y ′ ′ + y ′ − y = 0 xy'' + y' - y = 0 x y ′′ + y ′ − y = 0 .
(1):
对求导i i i 次后的级数,R i = 1 / lim n → ∞ ( n − i − 1 ) ! ( n − i ) ! = ∞ R_i=1/\lim_{n \to \infty}\dfrac{(n-i-1)!}{(n-i)!}=\infty R i = 1/ lim n → ∞ ( n − i )! ( n − i − 1 )! = ∞ .收敛,内闭一致收敛,可以逐项求导,得到:
y ( 4 ) = ∑ n = 0 ∞ d 4 d x 4 x 4 n ( 4 n ) ! = y \begin{gathered}
y^{(4)}=\sum _{n = 0} ^{\infty} \dfrac{d^4}{ {dx}^4} \dfrac{x^{4n}}{(4n)!}=y
\end{gathered} y ( 4 ) = n = 0 ∑ ∞ d x 4 d 4 ( 4 n )! x 4 n = y
(2):
R = 1 / lim n → ∞ ( ( n − 1 ) ! ) 2 ( n ! ) 2 = ∞ R=1/\lim_{n \to \infty} \dfrac{((n-1)!)^2}{(n!)^2} =\infty R = 1/ lim n → ∞ ( n ! ) 2 (( n − 1 )! ) 2 = ∞ ,收敛,一致收敛,可逐项求导.且
规定0 ! = 1 , ( − n ) ! = 0 0!=1,(-n)!=0 0 ! = 1 , ( − n )! = 0
x y ′ ′ + y ′ − y ∑ n = 2 ∞ − x n ( n ! ) 2 + x n − 1 n ! ( n − 1 ) ! + x x n − 2 n ! ( n − 2 ) ! = − ∑ n = 0 ∞ x n ( n ! ) 2 + ∑ n = 0 ∞ x n − 1 1 ( ( n − 1 ) ! ) 2 = 0 \begin{gathered}
xy''+y'-y \\
\sum _{n = 2} ^{\infty} -\dfrac{x^n}{(n!)^2} +\dfrac{x^{n-1}}{n!(n-1)!} +x\dfrac{x^{n-2}}{n!(n-2)!} \\
=-\sum _{n = 0} ^{\infty} \dfrac{x^n}{(n!)^2} +\sum _{n = 0} ^{\infty} x^{n-1}\dfrac{1}{((n-1)!)^2} \\
=0
\end{gathered} x y ′′ + y ′ − y n = 2 ∑ ∞ − ( n ! ) 2 x n + n ! ( n − 1 )! x n − 1 + x n ! ( n − 2 )! x n − 2 = − n = 0 ∑ ∞ ( n ! ) 2 x n + n = 0 ∑ ∞ x n − 1 (( n − 1 )! ) 2 1 = 0
T11
7. 设 f ( x ) = ∑ n = 0 ∞ a n x n f(x) = \sum_{n=0}^\infty a_n x^n f ( x ) = ∑ n = 0 ∞ a n x n 的收敛半径 r = + ∞ r = +\infty r = + ∞ . 令 f n ( x ) = ∑ k = 0 n a k x k f_n(x) = \sum_{k=0}^n a_k x^k f n ( x ) = ∑ k = 0 n a k x k . 证明: { f [ f n ( x ) ] } \{f[f_n(x)]\} { f [ f n ( x )]} 在 [ a , b ] [a, b] [ a , b ] 上一致收敛于 f [ f ( x ) ] f[f(x)] f [ f ( x )] .
因为f n ( x ) f_n(x) f n ( x ) 每项连续,f n f_n f n 一致收敛到f f f ,于是f f f 连续.所以f f f 在[ a , b ] [a,b] [ a , b ] 一致连续且有界.设界为[ A , B ] [A,B] [ A , B ] .
又有f f f 在[ A , B ] [A,B] [ A , B ] 上连续而一致连续.满足∀ ϵ 1 > 0 , ∃ δ > 0 , ∀ ∣ x − y ∣ < δ , ∣ f ( x ) − f ( y ) ∣ < ϵ 1 \forall \epsilon_1>0,\exists \delta>0,\forall |x-y|<\delta,|f(x)-f(y)|<\epsilon_1 ∀ ϵ 1 > 0 , ∃ δ > 0 , ∀∣ x − y ∣ < δ , ∣ f ( x ) − f ( y ) ∣ < ϵ 1 .
又因为f ( x ) f(x) f ( x ) 一致收敛到f n ( x ) f_n(x) f n ( x ) ,所以∀ ϵ 2 > 0 , ∃ N , ∀ n > N , ∣ f ( x ) − f n ( x ) ∣ < ϵ 2 \forall \epsilon_2>0,\exists N,\forall n>N,|f(x)-f_n(x)|<\epsilon_2 ∀ ϵ 2 > 0 , ∃ N , ∀ n > N , ∣ f ( x ) − f n ( x ) ∣ < ϵ 2 .
于是取ϵ 1 = ϵ , ϵ 2 = δ \epsilon_1=\epsilon,\epsilon_2=\delta ϵ 1 = ϵ , ϵ 2 = δ :
n > N ⟹ ∣ f n ( x ) − f ( x ) ∣ < δ ⟹ ∣ f ( f n ( x ) ) − f ( f ( x ) ) ∣ < ϵ \begin{gathered}
n>N \implies |f_n(x)-f(x)|<\delta \implies |f(f_n(x))-f(f(x))|<\epsilon
\end{gathered} n > N ⟹ ∣ f n ( x ) − f ( x ) ∣ < δ ⟹ ∣ f ( f n ( x )) − f ( f ( x )) ∣ < ϵ
得证.
T12
8. 设定项级数 ∑ n = 0 ∞ a n \sum_{n=0}^\infty a_n ∑ n = 0 ∞ a n 发散, 且 lim n → ∞ a n a 0 + a 1 + ⋯ + a n = 0 \lim_{n\to\infty} \frac{a_n}{a_0 + a_1 + \dots + a_n} = 0 lim n → ∞ a 0 + a 1 + ⋯ + a n a n = 0 . 证明: 幂级数 ∑ n = 0 ∞ a n x n \sum_{n=0}^\infty a_n x^n ∑ n = 0 ∞ a n x n 的收敛半径 r = 1 r=1 r = 1 .
∑ n = 0 ∞ a n 1 n = ∑ n = 0 ∞ a n = ∞ \begin{gathered}
\sum _{n = 0} ^{\infty} a_n 1^n=\sum _{n = 0} ^{\infty} a_n=\infty
\end{gathered} n = 0 ∑ ∞ a n 1 n = n = 0 ∑ ∞ a n = ∞
故由Abel收敛定理知收敛半径R ≤ 1 R\le 1 R ≤ 1 .
∀ x ∈ ( − 1 , 1 ) , x < 1 \forall x\in (-1,1),x<1 ∀ x ∈ ( − 1 , 1 ) , x < 1 :
设S n S_n S n 为a n a_n a n 部分和,则易知 lim n → ∞ S n − 1 S n = 1 \lim_{n \to \infty} \dfrac{S_{n-1}}{S_n}=1 lim n → ∞ S n S n − 1 = 1
∑ n = 0 ∞ a n x n = a 0 + ∑ n = 1 ∞ ( S n − S n − 1 ) x n = ∑ n = 0 ∞ S n ( x n − x n + 1 ) + S n x n \begin{gathered}
\sum _{n = 0} ^{\infty} a_nx^n \\
=a_0+\sum _{n = 1} ^{\infty} (S_n-S_{n-1})x^n \\
=\sum _{n = 0} ^{\infty} S_n(x^n-x^{n+1})+S_nx^n
\end{gathered} n = 0 ∑ ∞ a n x n = a 0 + n = 1 ∑ ∞ ( S n − S n − 1 ) x n = n = 0 ∑ ∞ S n ( x n − x n + 1 ) + S n x n
最后一项显然极限为0 0 0 ,对前面的部分
使用比值:
lim n → ∞ S n S n − 1 x n − x n + 1 x n − 1 − x n = 1 ⋅ x < 1 \begin{gathered}
\lim_{n \to \infty} \dfrac{S_n}{S_{n-1}} \dfrac{x^n-x^{n+1}}{x^{n-1}-x^n} \\
=1\cdot x<1
\end{gathered} n → ∞ lim S n − 1 S n x n − 1 − x n x n − x n + 1 = 1 ⋅ x < 1
故收敛.
故收敛域为( − 1 , 1 ) (-1,1) ( − 1 , 1 ) ,收敛半径为1 1 1 .