综合练习题

一、级数收敛性判别

题1

判断级数 ∑n=1∞n!nn\sum_{n=1}^{\infty} \frac{n!}{n^n} 的收敛性。

参考答案
比值判别法收敛阶乘级数
  1. 用比值判别法:an=n!nna_n = \frac{n!}{n^n}
  2. an+1an=(n+1)!(n+1)n+1⋅nnn!=(n+1)nn(n+1)n+1=nn(n+1)n=1(1+1n)n\frac{a_{n+1}}{a_n} = \frac{(n+1)!}{(n+1)^{n+1}} \cdot \frac{n^n}{n!} = \frac{(n+1)n^n}{(n+1)^{n+1}} = \frac{n^n}{(n+1)^n} = \frac{1}{(1+\frac{1}{n})^n}
  3. lim⁡n→∞an+1an=lim⁡n→∞1(1+1n)n=1e<1\lim_{n\to\infty} \frac{a_{n+1}}{a_n} = \lim_{n\to\infty} \frac{1}{(1+\frac{1}{n})^n} = \frac{1}{e} < 1
  4. 由比值判别法,级数收敛。

答案:级数收敛。

题2

判断级数 ∑n=2∞1n(ln⁡n)p\sum_{n=2}^{\infty} \frac{1}{n(\ln n)^p} 的收敛性(p>0p > 0)。

参考答案
积分判别法p级数收敛性讨论
  1. 用积分判别法:设 f(x)=1x(ln⁡x)pf(x) = \frac{1}{x(\ln x)^p},在 [2,+∞)[2, +\infty) 上非负递减
  2. ∫2+∞dxx(ln⁡x)p=∫ln⁡2+∞dttp\int_2^{+\infty} \frac{dx}{x(\ln x)^p} = \int_{\ln 2}^{+\infty} \frac{dt}{t^p}(令 t=ln⁡xt = \ln x)
  3. 当 p>1p > 1 时,积分收敛(p积分),故级数收敛
  4. 当 p≤1p \leq 1 时,积分发散,故级数发散

答案:当 p>1p > 1 时收敛,当 0<p≤10 < p \leq 1 时发散。

题3

判断级数 ∑n=1∞(−1)nln⁡nn\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^n \frac{\ln n}{n} 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
  1. 绝对收敛性:考虑绝对值级数 ∑ln⁡nn\sum \frac{\ln n}{n} 当 n≥3n \geq 3 时,ln⁡nn>1n\frac{\ln n}{n} > \frac{1}{n},而调和级数 ∑1n\sum \frac{1}{n} 发散,由比较判别法,∑ln⁡nn\sum \frac{\ln n}{n} 发散。故不绝对收敛。
  2. 条件收敛性:原级数是交错级数,an=ln⁡nna_n = \frac{\ln n}{n}
    • an>0a_n > 0 ✓
    • 令 f(x)=ln⁡xxf(x) = \frac{\ln x}{x},f′(x)=1−ln⁡xx2<0f'(x) = \frac{1-\ln x}{x^2} < 0(x>ex > e),故 ana_n 递减 ✓
    • lim⁡n→∞ln⁡nn=0\lim_{n\to\infty} \frac{\ln n}{n} = 0 ✓
  3. 满足莱布尼茨判别法条件,级数收敛。
  4. 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∞(x−1)nn\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(x-1)^n}{\sqrt{n}} 的收敛域。

参考答案
收敛域幂级数端点收敛性p级数
  1. 令 t=x−1t = x-1,级数为 ∑tnn\sum \frac{t^n}{\sqrt{n}}
  2. an=1na_n = \frac{1}{\sqrt{n}},L=lim⁡n→∞nn+1=1L = \lim_{n\to\infty} \frac{\sqrt{n}}{\sqrt{n+1}} = 1,R=1R = 1
  3. t∈(−1,1)t \in (-1, 1),即 x∈(0,2)x \in (0, 2)
  4. 端点:
    • t=1t = 1(x=2x=2):∑1n\sum \frac{1}{\sqrt{n}},p级数 p=12<1p=\frac{1}{2}<1,发散
    • t=−1t = -1(x=0x=0):∑(−1)nn\sum \frac{(-1)^n}{\sqrt{n}},交错级数,满足莱布尼茨条件,收敛
  5. 收敛域为 [0,2)[0, 2)

答案:收敛域为 [0,2)[0, 2)。

题5

求幂级数 ∑n=1∞n2xn\sum_{n=1}^{\infty} n^2 x^n 的和函数。

参考答案
和函数逐项求导幂级数求和
  1. 已知 ∑n=0∞xn=11−x\sum_{n=0}^{\infty} x^n = \frac{1}{1-x}(∣x∣<1|x|<1)
  2. 逐项求导:∑n=1∞nxn−1=1(1−x)2\sum_{n=1}^{\infty} n x^{n-1} = \frac{1}{(1-x)^2},即 ∑n=1∞nxn=x(1−x)2\sum_{n=1}^{\infty} n x^n = \frac{x}{(1-x)^2}
  3. 再次逐项求导:∑n=1∞n2xn−1=(x(1−x)2)′=(1−x)2+2x(1−x)(1−x)4=1+x(1−x)3\sum_{n=1}^{\infty} n^2 x^{n-1} = \left(\frac{x}{(1-x)^2}\right)' = \frac{(1-x)^2 + 2x(1-x)}{(1-x)^4} = \frac{1+x}{(1-x)^3}
  4. 故 ∑n=1∞n2xn=x(1+x)(1−x)3\sum_{n=1}^{\infty} n^2 x^n = \frac{x(1+x)}{(1-x)^3}(∣x∣<1|x| < 1)

答案:和函数为 S(x)=x(1+x)(1−x)3S(x) = \frac{x(1+x)}{(1-x)^3}(∣x∣<1|x| < 1)。

题6

将函数 f(x)=1x2+3x+2f(x) = \frac{1}{x^2 + 3x + 2} 展开成 (x+4)(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
  1. 部分分式:1x2+3x+2=1(x+1)(x+2)=1x+1−1x+2\frac{1}{x^2+3x+2} = \frac{1}{(x+1)(x+2)} = \frac{1}{x+1} - \frac{1}{x+2}
  2. 令 t=x+4t = x+4,则 x=t−4x = t-4: 1x+1=1t−3=−13⋅11−t3=−13∑n=0∞(t3)n=−∑n=0∞tn3n+1\frac{1}{x+1} = \frac{1}{t-3} = -\frac{1}{3} \cdot \frac{1}{1-\frac{t}{3}} = -\frac{1}{3}\sum_{n=0}^{\infty} \left(\frac{t}{3}\right)^n = -\sum_{n=0}^{\infty} \frac{t^n}{3^{n+1}}(∣t∣<3|t|<3) 1x+2=1t−2=−12⋅11−t2=−∑n=0∞tn2n+1\frac{1}{x+2} = \frac{1}{t-2} = -\frac{1}{2} \cdot \frac{1}{1-\frac{t}{2}} = -\sum_{n=0}^{\infty} \frac{t^n}{2^{n+1}}(∣t∣<2|t|<2)
  3. 取交集 ∣t∣<2|t|<2: f(x)=−∑n=0∞tn3n+1+∑n=0∞tn2n+1=∑n=0∞(12n+1−13n+1)tnf(x) = -\sum_{n=0}^{\infty} \frac{t^n}{3^{n+1}} + \sum_{n=0}^{\infty} \frac{t^n}{2^{n+1}} = \sum_{n=0}^{\infty} \left(\frac{1}{2^{n+1}} - \frac{1}{3^{n+1}}\right) t^n
  4. 代回 t=x+4t = x+4,收敛域 ∣x+4∣<2|x+4| < 2,即 x∈(−6,−2)x \in (-6, -2)

答案:f(x)=∑n=0∞(12n+1−13n+1)(x+4)nf(x) = \sum_{n=0}^{\infty} \left(\frac{1}{2^{n+1}} - \frac{1}{3^{n+1}}\right)(x+4)^n(x∈(−6,−2)x \in (-6, -2))。

三、傅里叶级数

题7

设 f(x)f(x) 是周期为 2π2\pi 的函数,在 [0,π)[0, \pi) 上 f(x)=1f(x) = 1,在 [−π,0)[-\pi, 0) 上 f(x)=0f(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
  1. a0=1π∫−ππf(x)dx=1π∫0π1dx=1a_0 = \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi} f(x) dx = \frac{1}{\pi}\int_0^{\pi} 1 dx = 1
  2. an=1π∫0πcos⁡nxdx=1π[sin⁡nxn]0π=0a_n = \frac{1}{\pi}\int_0^{\pi} \cos nx dx = \frac{1}{\pi}\left[\frac{\sin nx}{n}\right]_0^{\pi} = 0(n≥1n \geq 1)
  3. bn=1π∫0πsin⁡nxdx=1π[−cos⁡nxn]0π=1nπ(1−cos⁡nπ)=1nπ(1−(−1)n)b_n = \frac{1}{\pi}\int_0^{\pi} \sin nx dx = \frac{1}{\pi}\left[-\frac{\cos nx}{n}\right]_0^{\pi} = \frac{1}{n\pi}(1 - \cos n\pi) = \frac{1}{n\pi}(1 - (-1)^n)
  4. nn 为偶数时 bn=0b_n = 0,nn 为奇数时 bn=2nπb_n = \frac{2}{n\pi}
  5. 傅里叶级数:f(x)∼12+2π∑k=1∞sin⁡(2k−1)x2k−1f(x) \sim \frac{1}{2} + \frac{2}{\pi}\sum_{k=1}^{\infty} \frac{\sin(2k-1)x}{2k-1}
  6. 收敛定理:在连续点 x≠kπx \neq k\pi 处收敛于 f(x)f(x);在 x=2kπx = 2k\pi 处收敛于 0+12=12\frac{0+1}{2} = \frac{1}{2};在 x=(2k+1)πx = (2k+1)\pi 处收敛于 1+02=12\frac{1+0}{2} = \frac{1}{2}

答案:f(x)=12+2π∑k=1∞sin⁡(2k−1)x2k−1f(x) = \frac{1}{2} + \frac{2}{\pi}\sum_{k=1}^{\infty} \frac{\sin(2k-1)x}{2k-1}(x≠kπx \neq k\pi),在 x=kπx=k\pi 处级数和为 12\frac{1}{2}。

四、级数求和

题8

求级数 ∑n=1∞(−1)n−1n(2n−1)\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{n-1}}{n(2n-1)} 的和。

参考答案
级数求和幂级数逐项积分反正切
  1. 构造幂级数 S(x)=∑n=1∞(−1)n−1x2nn(2n−1)S(x) = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{n-1} x^{2n}}{n(2n-1)},则原级数和为 S(1)S(1)
  2. 逐项求导:S′(x)=∑n=1∞2(−1)n−1x2n−12n−1S'(x) = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{2(-1)^{n-1} x^{2n-1}}{2n-1}
  3. 再次求导:S′′(x)=∑n=1∞2(−1)n−1x2n−2=2∑n=0∞(−1)nx2n=21+x2S''(x) = \sum_{n=1}^{\infty} 2(-1)^{n-1} x^{2n-2} = 2\sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n x^{2n} = \frac{2}{1+x^2}(∣x∣<1|x|<1)
  4. 积分:S′(x)=S′(0)+∫0x21+t2dt=2arctan⁡xS'(x) = S'(0) + \int_0^x \frac{2}{1+t^2} dt = 2\arctan x
  5. 再积分:S(x)=S(0)+∫0x2arctan⁡t dt=2xarctan⁡x−ln⁡(1+x2)S(x) = S(0) + \int_0^x 2\arctan t \, dt = 2x\arctan x - \ln(1+x^2)
  6. S(1)=2⋅π4−ln⁡2=π2−ln⁡2S(1) = 2 \cdot \frac{\pi}{4} - \ln 2 = \frac{\pi}{2} - \ln 2

答案:级数和为 π2−ln⁡2\frac{\pi}{2} - \ln 2。


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。

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