张宇1000题高等数学 第十六章 无穷级数
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- AAA组
- 7.设0⩽un⩽1n0\leqslant u_n\leqslant\cfrac{1}{n}0⩽un⩽n1,则下列级数一定收敛的是( )。
(A)∑n=1∞un;(A)\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty u_n;(A)n=1∑∞un;
(B)∑n=1∞(−1)nun;(B)\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty(-1)^nu_n;(B)n=1∑∞(−1)nun;
(C)∑n=1∞un;(C)\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty\sqrt{u_n};(C)n=1∑∞un;
(D)∑n=1∞(−1)nun2.(D)\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty(-1)^nu_n^2.(D)n=1∑∞(−1)nun2. - 20.判别下列正项级数的敛散性。
- (3)∑n=1∞(n+13−n3).\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty(\sqrt[3]{n+1}-\sqrt[3]{n}).n=1∑∞(3n+1−3n).
- 21.设级数∑n=1∞an\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty a_nn=1∑∞an条件收敛,判别级数∑n=1∞nan(x−1)n\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty na_n(x-1)^nn=1∑∞nan(x−1)n在点x1=3,x2=3x_1=\sqrt{3},x_2=3x1=3,x2=3处的收敛性。
- 7.设0⩽un⩽1n0\leqslant u_n\leqslant\cfrac{1}{n}0⩽un⩽n1,则下列级数一定收敛的是( )。
- BBB组
- 2.下列命题正确的是( )。
(A)(A)(A)若un<vn(n=1,2,3,⋯)u_n<v_n(n=1,2,3,\cdots)un<vn(n=1,2,3,⋯),则∑n=1∞un⩽∑n=1∞vn\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty u_n\leqslant\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty v_nn=1∑∞un⩽n=1∑∞vn;
(B)(B)(B)若un<vn(n=1,2,3,⋯)u_n<v_n(n=1,2,3,\cdots)un<vn(n=1,2,3,⋯),∑n=1∞vn\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty v_nn=1∑∞vn收敛,则∑n=1∞un\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty u_nn=1∑∞un收敛;
(C)(C)(C)若limn→∞unvn=1\lim\limits_{n\to\infty}\cfrac{u_n}{v_n}=1n→∞limvnun=1,∑n=1∞vn\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty v_nn=1∑∞vn收敛,则∑n=1∞un\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty u_nn=1∑∞un收敛;
(D)(D)(D)若wn<un<vn(n=1,2,3,⋯)w_n<u_n<v_n(n=1,2,3,\cdots)wn<un<vn(n=1,2,3,⋯),∑n=1∞wn\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty w_nn=1∑∞wn与∑n=1∞vn\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty v_nn=1∑∞vn收敛,则∑n=1∞un\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty u_nn=1∑∞un收敛。
- 2.下列命题正确的是( )。
- CCC组
- 6.设函数fn(x)=∫0xt(1−t)sin2ntdt(x>0)f_n(x)=\displaystyle\int^x_0t(1-t)\sin^{2n}t\mathrm{d}t(x>0)fn(x)=∫0xt(1−t)sin2ntdt(x>0),其中nnn为正整数。
- (1)证明fn(x)f_n(x)fn(x)在区间(0,+∞)(0,+\infty)(0,+∞)上存在最大值;
- (2)记ana_nan为函数fn(x)f_n(x)fn(x)在(0,+∞)(0,+\infty)(0,+∞)上的最大值(n⩾1)(n\geqslant1)(n⩾1),证明级数∑n=1∞an\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty a_nn=1∑∞an收敛。
- 7.
- (1)设f(x)f(x)f(x)为任意阶可导函数,且f(x)=∑n=1∞anxnf(x)=\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty a_nx^nf(x)=n=1∑∞anxn,若f(x)f(x)f(x)为奇函数,证明f(x)=∑n=1∞a2n−1x2n−1f(x)=\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty a_{2n-1}x^{2n-1}f(x)=n=1∑∞a2n−1x2n−1;
- (2)将函数f(x)=∫0xex2−t2dtf(x)=\displaystyle\int^x_0e^{x^2-t^2}\mathrm{d}tf(x)=∫0xex2−t2dt展开为xxx的幂级数。
- 9.设x>2x>2x>2,证明lnx+2x−2=ln(x+1x−1)2+2∑n=1∞12n−1(2x3−3x)2n−1\ln\cfrac{x+2}{x-2}=\ln\left(\cfrac{x+1}{x-1}\right)^2+2\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty\cfrac{1}{2n-1}\left(\cfrac{2}{x^3-3x}\right)^{2n-1}lnx−2x+2=ln(x−1x+1)2+2n=1∑∞2n−11(x3−3x2)2n−1。
- 10.设bn>0b_n>0bn>0,当n⩾2n\geqslant2n⩾2时,bn=bn−1+(n−1)bn−2,b0=b1=1b_n=b_{n-1}+(n-1)b_{n-2},b_0=b_1=1bn=bn−1+(n−1)bn−2,b0=b1=1且bnbn−1\cfrac{b_n}{b_{n-1}}bn−1bn有界,求∑n=1∞bnxnn!\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty b_n\cfrac{x^n}{n!}n=1∑∞bnn!xn的和函数。
- 写在最后
AAA组
7.设0⩽un⩽1n0\leqslant u_n\leqslant\cfrac{1}{n}0⩽un⩽n1,则下列级数一定收敛的是( )。
(A)∑n=1∞un;(A)\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty u_n;(A)n=1∑∞un;
(B)∑n=1∞(−1)nun;(B)\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty(-1)^nu_n;(B)n=1∑∞(−1)nun;
(C)∑n=1∞un;(C)\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty\sqrt{u_n};(C)n=1∑∞un;
(D)∑n=1∞(−1)nun2.(D)\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty(-1)^nu_n^2.(D)n=1∑∞(−1)nun2.
解 如∑n=1∞1n\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty\cfrac{1}{n}n=1∑∞n1,(A),(C)(A),(C)(A),(C)错误。
如∑n=1∞(−1)n+12n\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty\cfrac{(-1)^n+1}{2n}n=1∑∞2n(−1)n+1,(B)(B)(B)错误。
因0⩽un⩽1n0\leqslant u_n\leqslant\cfrac{1}{n}0⩽un⩽n1,有un2⩽1n2u_n^2\leqslant\cfrac{1}{n^2}un2⩽n21,而∑n=1∞1n2\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty\cfrac{1}{n^2}n=1∑∞n21收敛,由正项级数的比较判别法知,∑n=1∞un2\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty u_n^2n=1∑∞un2收敛,故∑n=1∞(−1)nun2\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty(-1)^nu_n^2n=1∑∞(−1)nun2绝对收敛,从而收敛,故选(D)(D)(D)。(这道题主要利用了反例求解)
20.判别下列正项级数的敛散性。
(3)∑n=1∞(n+13−n3).\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty(\sqrt[3]{n+1}-\sqrt[3]{n}).n=1∑∞(3n+1−3n).
解
n+13−n3=1(n+1)23+n(n+1)3+n23⩾13(n+1)23\sqrt[3]{n+1}-\sqrt[3]{n}=\cfrac{1}{\sqrt[3]{(n+1)^2}+\sqrt[3]{n(n+1)}+\sqrt[3]{n^2}}\geqslant\cfrac{1}{3\sqrt[3]{(n+1)^2}} 3n+1−3n=3(n+1)2+3n(n+1)+3n21⩾33(n+1)21
又∑n=1∞1(n+1)23=∑n=2∞1n23\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty\cfrac{1}{(n+1)^{\frac{2}{3}}}=\displaystyle\sum\limits_{n=2}^\infty\cfrac{1}{n^{\frac{2}{3}}}n=1∑∞(n+1)321=n=2∑∞n321发散,由比较判别法知,∑n=1∞(n+13−n3)\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty(\sqrt[3]{n+1}-\sqrt[3]{n})n=1∑∞(3n+1−3n)发散。(这道题主要利用了分子有理化求解)
21.设级数∑n=1∞an\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty a_nn=1∑∞an条件收敛,判别级数∑n=1∞nan(x−1)n\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty na_n(x-1)^nn=1∑∞nan(x−1)n在点x1=3,x2=3x_1=\sqrt{3},x_2=3x1=3,x2=3处的收敛性。
解 由题设条件∑n=1∞an\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty a_nn=1∑∞an收敛,可知∑n=1∞anxn\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty a_nx^nn=1∑∞anxn的收敛半径R=1R=1R=1。若R<1R<1R<1,则∑n=1∞anxn∣x=1=∑n=1∞an\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty a_nx^n\biggm\vert_{x=1}=\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty a_nn=1∑∞anxn∣∣∣∣x=1=n=1∑∞an发散,与已知矛盾;若R>1R>1R>1,则∑n=1∞anxn∣x=1=∑n=1∞an\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty a_nx^n\biggm\vert_{x=1}=\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty a_nn=1∑∞anxn∣∣∣∣x=1=n=1∑∞an绝对收敛,与已知矛盾。
由于∑n=1∞nanxn=x∑n=1∞nanxx−1=x∑n=1∞(anxn)′\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty na_nx^n=x\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty na_nx^{x-1}=x\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty(a_nx^n)'n=1∑∞nanxn=xn=1∑∞nanxx−1=xn=1∑∞(anxn)′的收敛半径与∑n=1∞anxn\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty a_nx^nn=1∑∞anxn收敛半径相同,即R=1R=1R=1,收敛区间为(−1,1)(-1,1)(−1,1)。
当x1=3x_1=\sqrt{3}x1=3时,考察∑n=1∞nan(x−1)n\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty na_n(x-1)^nn=1∑∞nan(x−1)n,由于∣3−1∣<1|\sqrt3-1|<1∣3−1∣<1,因此∑n=1∞nan(x−1)n\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty na_n(x-1)^nn=1∑∞nan(x−1)n在x1=3x_1=\sqrt{3}x1=3处绝对收敛;
当x2=3x_2=3x2=3时,考察∑n=1∞nan(x−1)n\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty na_n(x-1)^nn=1∑∞nan(x−1)n,由于∣3−1∣>1|3-1|>1∣3−1∣>1,因此∑n=1∞nan(x−1)n\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty na_n(x-1)^nn=1∑∞nan(x−1)n在x2=3x_2=3x2=3处发散。(这道题主要利用了分类讨论求解)
BBB组
2.下列命题正确的是( )。
(A)(A)(A)若un<vn(n=1,2,3,⋯)u_n<v_n(n=1,2,3,\cdots)un<vn(n=1,2,3,⋯),则∑n=1∞un⩽∑n=1∞vn\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty u_n\leqslant\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty v_nn=1∑∞un⩽n=1∑∞vn;
(B)(B)(B)若un<vn(n=1,2,3,⋯)u_n<v_n(n=1,2,3,\cdots)un<vn(n=1,2,3,⋯),∑n=1∞vn\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty v_nn=1∑∞vn收敛,则∑n=1∞un\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty u_nn=1∑∞un收敛;
(C)(C)(C)若limn→∞unvn=1\lim\limits_{n\to\infty}\cfrac{u_n}{v_n}=1n→∞limvnun=1,∑n=1∞vn\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty v_nn=1∑∞vn收敛,则∑n=1∞un\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty u_nn=1∑∞un收敛;
(D)(D)(D)若wn<un<vn(n=1,2,3,⋯)w_n<u_n<v_n(n=1,2,3,\cdots)wn<un<vn(n=1,2,3,⋯),∑n=1∞wn\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty w_nn=1∑∞wn与∑n=1∞vn\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty v_nn=1∑∞vn收敛,则∑n=1∞un\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty u_nn=1∑∞un收敛。
解 因为只有当级数收敛时,才能比较其和的大小,故(A)(A)(A)错误。
若取级数∑n=1∞(−1n)\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty\left(-\cfrac{1}{n}\right)n=1∑∞(−n1)与∑n=1∞1n2\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty\cfrac{1}{n^2}n=1∑∞n21,可见(B)(B)(B)错误。
若取级数∑n=1∞(−1)nn\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty\cfrac{(-1)^n}{\sqrt{n}}n=1∑∞n(−1)n与∑n=1∞[(−1)nn+1n]\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty\left[\cfrac{(-1)^n}{\sqrt{n}}+\cfrac{1}{n}\right]n=1∑∞[n(−1)n+n1],可见(C)(C)(C)错误。
故选(D)(D)(D)。(这道题主要利用了反例求解)
CCC组
6.设函数fn(x)=∫0xt(1−t)sin2ntdt(x>0)f_n(x)=\displaystyle\int^x_0t(1-t)\sin^{2n}t\mathrm{d}t(x>0)fn(x)=∫0xt(1−t)sin2ntdt(x>0),其中nnn为正整数。
(1)证明fn(x)f_n(x)fn(x)在区间(0,+∞)(0,+\infty)(0,+∞)上存在最大值;
解 由fn′(x)=x(1−x)sin2nx=0f'_n(x)=x(1-x)\sin^{2n}x=0fn′(x)=x(1−x)sin2nx=0,解得函数fn(x)f_n(x)fn(x)在(0,+∞)(0,+\infty)(0,+∞)内的所有驻点为x0=1x_0=1x0=1及xk=kπ,k=1,2,⋯x_k=k\pi,k=1,2,\cdotsxk=kπ,k=1,2,⋯。易知,x0=1x_0=1x0=1是fn(x)f_n(x)fn(x)在(0,+∞)(0,+\infty)(0,+∞)上的唯一极值点且为极大值点,所以fn(1)f_n(1)fn(1)是fn(x)f_n(x)fn(x)在(0,+∞)(0,+\infty)(0,+∞)上的最大值。
(2)记ana_nan为函数fn(x)f_n(x)fn(x)在(0,+∞)(0,+\infty)(0,+∞)上的最大值(n⩾1)(n\geqslant1)(n⩾1),证明级数∑n=1∞an\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty a_nn=1∑∞an收敛。
解 因为an=fn(1)=∫01t(1−t)sin2ntdt(n⩾1)a_n=f_n(1)=\displaystyle\int^1_0t(1-t)\sin^{2n}t\mathrm{d}t(n\geqslant1)an=fn(1)=∫01t(1−t)sin2ntdt(n⩾1),且当0⩽t⩽π20\leqslant t\leqslant\cfrac{\pi}{2}0⩽t⩽2π时有sint⩽t\sin t\leqslant tsint⩽t,所以0⩽an⩽∫01t(1−t)t2ndt=∫01t2n+1dt−∫01t2n+2dt=12n+2−12n+3⩽1n20\leqslant a_n\leqslant\displaystyle\int^1_0t(1-t)t^{2n}\mathrm{d}t=\displaystyle\int^1_0t^{2n+1}\mathrm{d}t-\displaystyle\int^1_0t^{2n+2}\mathrm{d}t=\cfrac{1}{2n+2}-\cfrac{1}{2n+3}\leqslant\cfrac{1}{n^2}0⩽an⩽∫01t(1−t)t2ndt=∫01t2n+1dt−∫01t2n+2dt=2n+21−2n+31⩽n21。利用比较判别法,由∑n=1∞1n2\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty\cfrac{1}{n^2}n=1∑∞n21收敛可知,级数∑n=1∞an\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty a_nn=1∑∞an收敛。(这道题主要利用了放缩法求解)
7.
(1)设f(x)f(x)f(x)为任意阶可导函数,且f(x)=∑n=1∞anxnf(x)=\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty a_nx^nf(x)=n=1∑∞anxn,若f(x)f(x)f(x)为奇函数,证明f(x)=∑n=1∞a2n−1x2n−1f(x)=\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty a_{2n-1}x^{2n-1}f(x)=n=1∑∞a2n−1x2n−1;
解 由f(x)f(x)f(x)为奇函数,即f(x)=−f(−x)f(x)=-f(-x)f(x)=−f(−x),于是有∑n=1∞anxn=−∑n=1∞an(−x)n=∑n=1∞(−1)n+1anxn\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty a_nx^n=-\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty a_n(-x)^n=\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty(-1)^{n+1}a_nx^nn=1∑∞anxn=−n=1∑∞an(−x)n=n=1∑∞(−1)n+1anxn,比较两端xxx同次项系数,得an=(−1)n+1ana_n=(-1)^{n+1}a_nan=(−1)n+1an。
当n=2kn=2kn=2k为偶数时,a2k=−a2ka_{2k}=-a_{2k}a2k=−a2k,则a2k=0,k=0,1,2,⋯a_{2k}=0,k=0,1,2,\cdotsa2k=0,k=0,1,2,⋯;
当n=2k−1n=2k-1n=2k−1为奇数时,a2k−1=a2k−1,k=1,2,⋯a_{2k-1}=a_{2k-1},k=1,2,\cdotsa2k−1=a2k−1,k=1,2,⋯。
综上可知,f(x)=∑k=1∞a2k−1x2k−1f(x)=\displaystyle\sum\limits_{k=1}^\infty a_{2k-1}x^{2k-1}f(x)=k=1∑∞a2k−1x2k−1,亦可写成f(x)=∑n=1∞a2n−1x2n−1f(x)=\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty a_{2n-1}x^{2n-1}f(x)=n=1∑∞a2n−1x2n−1。
(2)将函数f(x)=∫0xex2−t2dtf(x)=\displaystyle\int^x_0e^{x^2-t^2}\mathrm{d}tf(x)=∫0xex2−t2dt展开为xxx的幂级数。
解 f(x)=ex2⋅∫0xe−t2dtf(x)=e^{x^2}\cdot\displaystyle\int^x_0e^{-t^2}\mathrm{d}tf(x)=ex2⋅∫0xe−t2dt为奇函数,由(1)(1)(1),设f(x)=∑n=1∞a2n−1x2n−1f(x)=\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty a_{2n-1}x^{2n-1}f(x)=n=1∑∞a2n−1x2n−1。
对求导f(x)=∫0xex2−t2dtf(x)=\displaystyle\int^x_0e^{x^2-t^2}\mathrm{d}tf(x)=∫0xex2−t2dt,得f′(x)=2xf(x)+1f'(x)=2xf(x)+1f′(x)=2xf(x)+1,即∑n=1∞(2n−1)a2n−1x2n−2=∑n=1∞2a2n−1x2n+1\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty(2n-1)a_{2n-1}x^{2n-2}=\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty2a_{2n-1}x^{2n}+1n=1∑∞(2n−1)a2n−1x2n−2=n=1∑∞2a2n−1x2n+1,也即∑n=1∞(2n+1)a2n+1x2n+a1=∑n=1∞2a2n−1x2n+1\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty(2n+1)a_{2n+1}x^{2n}+a_1=\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty2a_{2n-1}x^{2n}+1n=1∑∞(2n+1)a2n+1x2n+a1=n=1∑∞2a2n−1x2n+1。
比较两端同次项系数,得a1=1a_1=1a1=1,于是
a2n+1=22n+1a2n−1=22n+1⋅22n−1a2n−3=⋯=22n+1⋅22n−1⋅⋯⋅23⋅a1=2n(2n+1)!!.\begin{aligned} a_{2n+1}&=\cfrac{2}{2n+1}a_{2n-1}=\cfrac{2}{2n+1}\cdot\cfrac{2}{2n-1}a_{2n-3}=\cdots\\ &=\cfrac{2}{2n+1}\cdot\cfrac{2}{2n-1}\cdot\cdots\cdot\cfrac{2}{3}\cdot a_1=\cfrac{2^n}{(2n+1)!!}. \end{aligned} a2n+1=2n+12a2n−1=2n+12⋅2n−12a2n−3=⋯=2n+12⋅2n−12⋅⋯⋅32⋅a1=(2n+1)!!2n.
故f(x)=x+∑n=1∞2n(2n+1)!!x2n+1,x∈(−∞,+∞)f(x)=x+\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty\cfrac{2^n}{(2n+1)!!}x^{2n+1},x\in(-\infty,+\infty)f(x)=x+n=1∑∞(2n+1)!!2nx2n+1,x∈(−∞,+∞)。(这道题主要利用了微分方程求解)
9.设x>2x>2x>2,证明lnx+2x−2=ln(x+1x−1)2+2∑n=1∞12n−1(2x3−3x)2n−1\ln\cfrac{x+2}{x-2}=\ln\left(\cfrac{x+1}{x-1}\right)^2+2\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty\cfrac{1}{2n-1}\left(\cfrac{2}{x^3-3x}\right)^{2n-1}lnx−2x+2=ln(x−1x+1)2+2n=1∑∞2n−11(x3−3x2)2n−1。
解 令S(u)=∑n=1∞12n−1u2n−1S(u)=\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty\cfrac{1}{2n-1}u^{2n-1}S(u)=n=1∑∞2n−11u2n−1,于是当∣u∣<1|u|<1∣u∣<1时,有S(u)=S(0)+∫0uS′(t)dt=∫0u(∑n=1∞12n−1t2n−1)dt=∫0u∑n=1∞t2n−2dt=∫0u11−t2dt=12ln1+u1−uS(u)=S(0)+\displaystyle\int^u_0S'(t)\mathrm{d}t=\displaystyle\int^u_0\left(\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty\cfrac{1}{2n-1}t^{2n-1}\right)\mathrm{d}t=\displaystyle\int^u_0\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty t^{2n-2}\mathrm{d}t=\displaystyle\int^u_0\cfrac{1}{1-t^2}\mathrm{d}t=\cfrac{1}{2}\ln\cfrac{1+u}{1-u}S(u)=S(0)+∫0uS′(t)dt=∫0u(n=1∑∞2n−11t2n−1)dt=∫0un=1∑∞t2n−2dt=∫0u1−t21dt=21ln1−u1+u。代入u=2x3−3xu=\cfrac{2}{x^3-3x}u=x3−3x2,故∑n=1∞12n−1(2x3−3x)2n−1=12ln(x+2)(x−1)2(x+1)2(x−2)(x>2)\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty\cfrac{1}{2n-1}\left(\cfrac{2}{x^3-3x}\right)^{2n-1}=\cfrac{1}{2}\ln\cfrac{(x+2)(x-1)^2}{(x+1)^2(x-2)}(x>2)n=1∑∞2n−11(x3−3x2)2n−1=21ln(x+1)2(x−2)(x+2)(x−1)2(x>2)。(这道题主要利用了幂级数展开求解)
10.设bn>0b_n>0bn>0,当n⩾2n\geqslant2n⩾2时,bn=bn−1+(n−1)bn−2,b0=b1=1b_n=b_{n-1}+(n-1)b_{n-2},b_0=b_1=1bn=bn−1+(n−1)bn−2,b0=b1=1且bnbn−1\cfrac{b_n}{b_{n-1}}bn−1bn有界,求∑n=1∞bnxnn!\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty b_n\cfrac{x^n}{n!}n=1∑∞bnn!xn的和函数。
解 记an=bnn!a_n=\cfrac{b_n}{n!}an=n!bn,则limn→∞∣an+1an∣=limn→∞∣bn+1(n+1)!⋅n!bn∣=limn→∞∣1n+1⋅bn+1bn∣=0\lim\limits_{n\to\infty}\left|\cfrac{a_{n+1}}{a_n}\right|=\lim\limits_{n\to\infty}\left|\cfrac{b_{n+1}}{(n+1)!}\cdot\cfrac{n!}{b_n}\right|=\lim\limits_{n\to\infty}\left|\cfrac{1}{n+1}\cdot\cfrac{b_{n+1}}{b_n}\right|=0n→∞lim∣∣∣∣∣anan+1∣∣∣∣∣=n→∞lim∣∣∣∣∣(n+1)!bn+1⋅bnn!∣∣∣∣∣=n→∞lim∣∣∣∣∣n+11⋅bnbn+1∣∣∣∣∣=0,故收敛区间为(−∞,+∞)(-\infty,+\infty)(−∞,+∞)。又记S(x)=∑n=1∞bnxnn!S(x)=\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty b_n\cfrac{x^n}{n!}S(x)=n=1∑∞bnn!xn,则
S′(x)=∑n=1∞bnxn−1(n−1)!=b1+∑n=2∞[bn−1+(n−1)bn−2]xn−1(n−1)!=∑n=1∞bn−1xn−1(n−1)!+∑n=2∞bn−2xn−2(n−2)!⋅x=∑n=0∞bnxnn!+x⋅∑n=0∞bnxnn!\begin{aligned} S'(x)&=\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty b_n\cfrac{x^{n-1}}{(n-1)!}=b_1+\displaystyle\sum\limits_{n=2}^\infty[b_{n-1}+(n-1)b_{n-2}]\cfrac{x^{n-1}}{(n-1)!}\\ &=\displaystyle\sum\limits_{n=1}^\infty b_{n-1}\cfrac{x^{n-1}}{(n-1)!}+\displaystyle\sum\limits_{n=2}^\infty b_{n-2}\cfrac{x^{n-2}}{(n-2)!}\cdot x=\displaystyle\sum\limits_{n=0}^\infty b_n\cfrac{x^n}{n!}+x\cdot\displaystyle\sum\limits_{n=0}^\infty b_n\cfrac{x^n}{n!} \end{aligned} S′(x)=n=1∑∞bn(n−1)!xn−1=b1+n=2∑∞[bn−1+(n−1)bn−2](n−1)!xn−1=n=1∑∞bn−1(n−1)!xn−1+n=2∑∞bn−2(n−2)!xn−2⋅x=n=0∑∞bnn!xn+x⋅n=0∑∞bnn!xn
于是S′(x)S(x)=1+x\cfrac{S'(x)}{S(x)}=1+xS(x)S′(x)=1+x,即∫1S(x)d[S(x)]=∫(1+x)dx\displaystyle\int\cfrac{1}{S(x)}\mathrm{d}[S(x)]=\displaystyle\int(1+x)\mathrm{d}x∫S(x)1d[S(x)]=∫(1+x)dx,得ln∣S(x)∣=x+x22+lnC1\ln|S(x)|=x+\cfrac{x^2}{2}+\ln C_1ln∣S(x)∣=x+2x2+lnC1,也即得S(x)=±C1ex+x22=Cex+x22S(x)=\pm C_1e^{x+\frac{x^2}{2}}=Ce^{x+\frac{x^2}{2}}S(x)=±C1ex+2x2=Cex+2x2,又S(0)=1S(0)=1S(0)=1,故C=1C=1C=1,于是S(x)=ex+x22,x∈(−∞,+∞)S(x)=e^{x+\frac{x^2}{2}},x\in(-\infty,+\infty)S(x)=ex+2x2,x∈(−∞,+∞)。(这道题主要利用了微分方程求解)
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