求幂级数的收敛域通常包括以下步骤:
确定系数的通项表达式 :首先需要知道幂级数的通项公式,这通常是形如 (a_n (x - x_0)^n) 的形式,其中 (a_n) 是系数,(x_0) 是中心点。利用收敛半径公式求收敛半径R
比值判别法:
使用比值 (lim_{n to infty} left| frac{a_{n+1}}{a_n} right|) 来求收敛半径 (R)。如果该极限值小于1,则收敛半径为 (R);如果大于1,则级数发散;如果等于1,则比值判别法无法判断收敛性。
柯西-阿达玛公式:对于幂级数 (sum a_n (x - x_0)^n),收敛半径 (R) 可以通过公式 (R = frac{1}{limsup_{n to infty} sqrt[n]{|a_n|}}) 计算得到,其中 (limsup) 表示上极限。
判断端点的收敛性
左端点:将 (x = x_0 - R) 代入级数,判断其收敛性。
右端点:将 (x = x_0 + R) 代入级数,判断其收敛性。
综合判断
如果左端点收敛,则收敛域包含该点;如果右端点收敛,则收敛域包含该点;如果两端点都发散,则收敛域为空集;如果一端收敛而另一端发散,则收敛域为包含收敛端点的开区间或闭区间。
示例
考虑幂级数 (sum_{n=1}^{infty} frac{x^n}{n^2}),其系数通项为 (a_n = frac{1}{n^2}),中心点 (x_0 = 0)。
求收敛半径
使用比值判别法:
[
lim_{n to infty} left| frac{a_{n+1}}{a_n} right| = lim_{n to infty} left| frac{frac{1}{(n+1)^2}}{frac{1}{n^2}} right| = lim_{n to infty} left| frac{n^2}{(n+1)^2} right| = 1
]
由于极限值为1,比值判别法无法判断收敛性,因此需要使用其他方法。
使用柯西-阿达玛公式:
[
R = frac{1}{limsup_{n to infty} sqrt[n]{|a_n|}} = frac{1}{limsup_{n to infty} sqrt[n]{frac{1}{n^2}}} = frac{1}{1} = 1
]
因此,收敛半径 (R = 1)。
判断端点的收敛性
当 (x = -1) 时,级数变为 (sum_{n=1}^{infty} frac{(-1)^n}{n^2}),这是一个交错级数,且项的绝对值递减趋于0,因此收敛。
当 (x = 1) 时,级数变为 (sum_{n=1}^{infty} frac{1}{n^2}),这是一个p-级数,且 (p = 2 > 1),因此收敛。
综合判断
收敛域为 ([-1, 1]),即包含端点的闭区间。
通过以上步骤,可以求得幂级数的收敛域为 ([-1, 1])。