Math Analysis Homework - Sem 2 Week 4
T1
1. 将下列函数在指定点展开成泰勒级数:
(3) x21,x=1;
f(x)=x−2f(n)=(−1)n(n+1)!x−2−n⟹f(x)=i=0∑∞i!f(i)(1)(x−1)i=1+i=1∑∞(−1)i(i+1)(x−1)i
余项为
Rn(x)=(−1)n(n+1)(θx+1−θ)−2−n(x−1)n=(−1)n(n+1)(θx+1−θx−1)n(θx+1−θ)21
则∣x−1∣<1时收敛.x=2,0通项极限不为0显然发散.
T2
1. 将下列函数在指定点展开成泰勒级数:
(5) ln(1+x+x2+x3),x=0;
f(x)=ln(1−x1−x4)=ln(1−x4)−ln(1−x)=i=1∑∞ixi−i=1∑∞ix4i=i=1∑∞aixi,ai=⎩⎨⎧i1−4i1,i=4k,k∈{Z}i1,otherwise
两个ln的级数收敛域均为(−1,1),故收敛于为(−1,1)
T3
3. 求函数 f(x)=arctan1−x22x 在 x=0 处的幂级数展开式,并求 ∑n=0∞2n+1(−1)n 的值.
f′(x)=1+x22=i=0∑∞2⋅(−1)ix2i⟹f(x)=∫f′(x)=i=0∑∞2i+12⋅(−1)ix2i+1,x∈(−1,1)
由莱布尼茨判别法知级数在x=1时收敛,由阿贝尔定理知级数的和函数s(x)连续,故所求即 s(1)=limx→1s(x)=limx→1f(x)=2π
T4
4. 设函数 f(x)=1−x−x21,记 an=n!f(n)(0). 证明:
- (1) 级数 ∑n=0∞an1 收敛;
- (2) a0=a1=1,an+2=an+1+an,n=0,1,2,⋯;
- (3) 级数 ∑n=0∞anan+2an+1 收敛,并求其和.
计算得a0=a1=1.
f(x)(1−x−x2)=1⟹∀n≥2,0=(f(x)(1−x−x2))(n)∣x=0=i=0∑nf(n−i)(0)((1−x−x2)(i)∣x=0)(in)=f(n)(0)−nfn−1(0)+2n(n−1)⋅−2fn−2(0)=n!an−n!an−1−n!(an−2)=0⟹an=an−1+an−2
故an=an−1+an−2>2an−2,则an1<21an−21,由比较判别法知奇数项,偶数项均绝对收敛,故(1)中级数收敛.
(3):
注意到:
Sn=n=0∑Nanan+2an+1=n=0∑Nan1−an+21=2−aN+11−aN+21⟹S=n→∞limSn=2
T5
5. (1) 证明:函数项级数
sinx+∑n=1∞(2n)!!(2n+1)(2n−1)!!sin2n+1x
在区间 [0,2π] 上一致收敛于和函数 x.
(2) 证明 ∑n=1∞(2n−1)21=8π2 和 ∑n=1∞n21=6π2.
f(x)=arcsin(x)⟹f′(x)=1−x21=(1−x2)−21=1+n=1∑∞(2n)!!(2n−1)!!x2n,∀x∈[0,1)
逐项积分得:
arcsin(x)=x+n=1∑∞(2n)!!(2n+1)(2n−1)!!x2n+1,∀x∈[0,1]
且为一致收敛.
故原式一致收敛到arcsin(sinx)=x
(2):
注意到
∫02πsin2n+1(x)=(2n+1)!!(2n)!!
于是
∫02πarcsin(sinx)=n=0∑∞(2n)!!(2n+1)(2n−1)!!∫02πsin2n+1dx=n=0∑∞(2n)!!(2n+1)(2n−1)!!(2n+1)!!(2n)!!=n=0∑∞(2n+1)21=∫02πxdx=8π2
于是显然有:
n=1∑∞n21−i=1∑∞(2n)21=8π2⟹n=1∑∞n21=6π2
T6
7. 利用斯特林公式解决下列问题:
- (1) 求极限 limn→∞n2n!;
- (2) 证明:当 n→∞ 时,ln(n!)∼nlnn;
- (3) 判断级数 ∑n=2∞ln(n!)1 的敛散性.
(1):
n→∞limn2n!=n→∞limexpn21ln(n!)=n→∞limexpn21ln(2nπ(en)ne12nθn)=n→∞limexpn1(lnn−1)=e
(2):
n→∞limnlnnlnn!=n→∞limnlnnln(2nπ(en)ne12nθn)=n→∞limnlnnnln(n−1)+ln(2nπ)+12nθn=1
(3):
∑n=2∞ln(n!)1和∑n=2∞nlnn1同敛散,从而与∫2∞xlnx1dx同敛散,故发散.