综合练习题
本套综合练习题覆盖无穷级数全课程核心知识点,建议在完成各章节学习后进行自测。每题均附详细解答。
一、级数收敛性判别
题1
判断级数 ∑n=1∞nnn! 的收敛性。
参考答案
比值判别法收敛阶乘级数
- 用比值判别法:an=nnn!
- anan+1=(n+1)n+1(n+1)!⋅n!nn=(n+1)n+1(n+1)nn=(n+1)nnn=(1+n1)n1
- limn→∞anan+1=limn→∞(1+n1)n1=e1<1
- 由比值判别法,级数收敛。
答案:级数收敛。
题2
判断级数 ∑n=2∞n(lnn)p1 的收敛性(p>0)。
参考答案
积分判别法p级数收敛性讨论
- 用积分判别法:设 f(x)=x(lnx)p1,在 [2,+∞) 上非负递减
- ∫2+∞x(lnx)pdx=∫ln2+∞tpdt(令 t=lnx)
- 当 p>1 时,积分收敛(p积分),故级数收敛
- 当 p≤1 时,积分发散,故级数发散
答案:当 p>1 时收敛,当 0<p≤1 时发散。
题3
判断级数 ∑n=1∞(−1)nnlnn 是绝对收敛、条件收敛还是发散。
参考答案
交错级数条件收敛莱布尼茨判别法绝对收敛
- 绝对收敛性:考虑绝对值级数 ∑nlnn
当 n≥3 时,nlnn>n1,而调和级数 ∑n1 发散,由比较判别法,∑nlnn 发散。故不绝对收敛。
- 条件收敛性:原级数是交错级数,an=nlnn
- an>0 ✓
- 令 f(x)=xlnx,f′(x)=x21−lnx<0(x>e),故 an 递减 ✓
- limn→∞nlnn=0 ✓
- 满足莱布尼茨判别法条件,级数收敛。
- 综上,级数条件收敛。
答案:条件收敛。
二、幂级数
题4
求幂级数 ∑n=1∞n(x−1)n 的收敛域。
参考答案
收敛域幂级数端点收敛性p级数
- 令 t=x−1,级数为 ∑ntn
- an=n1,L=limn→∞n+1n=1,R=1
- t∈(−1,1),即 x∈(0,2)
- 端点:
- t=1(x=2):∑n1,p级数 p=21<1,发散
- t=−1(x=0):∑n(−1)n,交错级数,满足莱布尼茨条件,收敛
- 收敛域为 [0,2)
答案:收敛域为 [0,2)。
题5
求幂级数 ∑n=1∞n2xn 的和函数。
参考答案
和函数逐项求导幂级数求和
- 已知 ∑n=0∞xn=1−x1(∣x∣<1)
- 逐项求导:∑n=1∞nxn−1=(1−x)21,即 ∑n=1∞nxn=(1−x)2x
- 再次逐项求导:∑n=1∞n2xn−1=((1−x)2x)′=(1−x)4(1−x)2+2x(1−x)=(1−x)31+x
- 故 ∑n=1∞n2xn=(1−x)3x(1+x)(∣x∣<1)
答案:和函数为 S(x)=(1−x)3x(1+x)(∣x∣<1)。
题6
将函数 f(x)=x2+3x+21 展开成 (x+4) 的幂级数。
参考答案
幂级数展开部分分式间接展开平移展开
- 部分分式:x2+3x+21=(x+1)(x+2)1=x+11−x+21
- 令 t=x+4,则 x=t−4:
x+11=t−31=−31⋅1−3t1=−31∑n=0∞(3t)n=−∑n=0∞3n+1tn(∣t∣<3)
x+21=t−21=−21⋅1−2t1=−∑n=0∞2n+1tn(∣t∣<2)
- 取交集 ∣t∣<2:
f(x)=−∑n=0∞3n+1tn+∑n=0∞2n+1tn=∑n=0∞(2n+11−3n+11)tn
- 代回 t=x+4,收敛域 ∣x+4∣<2,即 x∈(−6,−2)
答案:f(x)=∑n=0∞(2n+11−3n+11)(x+4)n(x∈(−6,−2))。
三、傅里叶级数
题7
设 f(x) 是周期为 2π 的函数,在 [0,π) 上 f(x)=1,在 [−π,0) 上 f(x)=0,求其傅里叶级数。
参考答案
傅里叶级数分段函数收敛定理
- a0=π1∫−ππf(x)dx=π1∫0π1dx=1
- an=π1∫0πcosnxdx=π1[nsinnx]0π=0(n≥1)
- bn=π1∫0πsinnxdx=π1[−ncosnx]0π=nπ1(1−cosnπ)=nπ1(1−(−1)n)
- n 为偶数时 bn=0,n 为奇数时 bn=nπ2
- 傅里叶级数:f(x)∼21+π2∑k=1∞2k−1sin(2k−1)x
- 收敛定理:在连续点 x=kπ 处收敛于 f(x);在 x=2kπ 处收敛于 20+1=21;在 x=(2k+1)π 处收敛于 21+0=21
答案:f(x)=21+π2∑k=1∞2k−1sin(2k−1)x(x=kπ),在 x=kπ 处级数和为 21。
四、级数求和
题8
求级数 ∑n=1∞n(2n−1)(−1)n−1 的和。
参考答案
级数求和幂级数逐项积分反正切
- 构造幂级数 S(x)=∑n=1∞n(2n−1)(−1)n−1x2n,则原级数和为 S(1)
- 逐项求导:S′(x)=∑n=1∞2n−12(−1)n−1x2n−1
- 再次求导:S′′(x)=∑n=1∞2(−1)n−1x2n−2=2∑n=0∞(−1)nx2n=1+x22(∣x∣<1)
- 积分:S′(x)=S′(0)+∫0x1+t22dt=2arctanx
- 再积分:S(x)=S(0)+∫0x2arctantdt=2xarctanx−ln(1+x2)
- S(1)=2⋅4π−ln2=2π−ln2
答案:级数和为 2π−ln2。
总结
本套综合练习题涵盖了无穷级数的核心考点:
- 收敛性判别:比值判别法、积分判别法、交错级数、绝对收敛与条件收敛
- 幂级数:收敛域、和函数、函数展开成幂级数
- 傅里叶级数:系数计算、收敛定理、分段函数展开
- 级数求和:利用幂级数逐项求导/积分求和
建议重点掌握收敛性判别、幂级数求和与展开、傅里叶系数计算三大核心题型。