D6_3幂级数
幂级数解法
幂级数解法《幂级数解法》是数学中常用的一种数值解法，它既可以用来计算数值解，也可以用来求解解析解。
它广泛应用于物理学、工程学、统计学等领域，其原理和方法能够有效解决复杂的数值模拟问题。
本文将从简介、正式定义、求解、应用及优点等方面对幂级数解法进行介绍，以期让读者更加深入的了解这种数值解法。
一、简介幂级数解法是一种用来解决数学问题的解法，它主要是利用了“幂级数”的性质，可以将复杂的问题化简为多项式，再求解。
二、正式定义幂级数解法是一种由多项式组成的数列，它具有自然界现象的性质，在求解数值问题时，可以将它用来表示物理量，并以尽可能高精度的形式求出未知物理量的数值解。
三、求解求解幂级数通常要经过三个步骤：首先，将问题转化为多项式的形式；其次，通过恰当的拆分多项式，可以将问题分解为更容易求解的子问题；最后，利用化简法、分解法和拆分法等算法，逐步求解。
四、应用幂级数解法在计算机科学领域有着广泛的应用，主要用于以下几种情况：1、非线性问题的求解：例如常见的微分方程，在数值解法上通常都采用幂级数解法来求解。
2、离散数学和抽象代数问题的求解：幂级数解法将问题从离散的表达形式转化为多项式的形式，通过对函数的分析、转换和处理，让问题更加容易解决。
3、函数逼近：采用幂级数解法可以进行函数逼近，也是一种精确地数值拟合方法，能够有效减少数据的误差。
五、优点1、计算简单：幂级数解法可以有效的缩小多项式的规模，使计算更加简单，具有高精度的数值计算能力，适合求解复杂的数值模拟问题。
2、易于理解：幂级数解法比较容易理解，步骤简单，过程易懂，很容易用数学公式表达出来，非常合适于实验室等场合使用。
3、可以精确到想要的范围：采用幂级数解法可以将函数表示为一系列多项式，可以进行精确的推导，而不像使用其他数值方法时，往往会受限于计算范围的限制。
综上所述，幂级数解法是一种有效的数值解法，它在物理学、工程学、统计学等领域也有着广泛的应用，它具有计算简单易懂、精确度高等优点，能够帮助我们有效地解决复杂的数值模拟问题。
幂级数的知识点总结
幂级数的知识点总结一、幂级数的定义与基本概念1. 幂级数定义幂级数是指形如 $\sum_{n=0}^{\infty} a_nx^n$ 的级数，其中 $a_n$ 是常数，$x$ 是变量。
我们将 $a_nx^n$ 称为幂级数的通项。
当 $x=0$ 时，幂级数收敛，此时幂级数的值为 $a_0$。
当 $x\neq0$ 时，幂级数可能发散，也可能收敛。
2. 幂级数的收敛半径幂级数的收敛半径是指所有幂级数都收敛的 $x$ 范围。
收敛半径 $R$ 的计算公式为\[R = \lim_{n\to\infty} \frac{|a_n|}{|a_{n+1}|}\]当 $R=0$ 时，幂级数只在 $x=0$ 处收敛；当 $R=\infty$ 时，幂级数在整个实数范围都收敛；当 $0<R<\infty$ 时，幂级数在 $(-R,R)$ 范围内收敛。
3. 幂级数的收敛域幂级数的收敛域是指其收敛的 $x$ 区间范围。
我们可以通过比较 $|x|<R$ 和 $|x|=R$ 以及$|x|>R$ 的情况来判断幂级数的收敛域。
二、幂级数的性质1. 幂级数的加法性与乘法性若 $\sum_{n=0}^{\infty} a_nx^n$ 和 $\sum_{n=0}^{\infty} b_nx^n$ 是两个幂级数，由于级数的加法与乘法遵循线性性质，因此这两个幂级数的和与乘积仍然是幂级数，它们的收敛性与原幂级数相同。
2. 幂级数的导数与积分幂级数在其收敛域内可以进行导数与积分运算，这是因为这些运算不会改变收敛性质。
具体来说，对于 $\sum_{n=0}^{\infty} a_nx^n$，它的导数等于 $\sum_{n=1}^{\infty}na_nx^{n-1}$，它的不定积分等于 $\sum_{n=0}^{\infty} \frac{a_n}{n+1}x^{n+1}+C$。
三、幂级数的收敛性与收敛域判断1. 幂级数的收敛性判定判断幂级数 $\sum_{n=0}^{\infty} a_nx^n$ 的收敛性时，我们可以使用比值判别法、根式定理、韦达定理等方法。
数学物理方法_第三章_幂级数展开
数学物理方法_第三章_幂级数展开幂级数展开是数学物理中常用的一种方法，它是通过使用幂级数来表示一个函数，从而方便对函数进行近似计算和分析。
在许多问题中，幂级数展开可以简化计算的复杂性，帮助我们更好地理解问题的本质。
幂级数是一个无穷级数，形式为：f(x)=a0+a1(x-x0)+a2(x-x0)^2+a3(x-x0)^3+...其中，a0、a1、a2...是常数系数，x0是展开点。
幂级数展开可以将一个任意函数表示成一个级数，进而通过截断级数的方式来近似求解。
这种展开方法在物理学和工程学中得到广泛应用。
幂级数展开的理论基础是泰勒级数展开，泰勒级数展开是幂级数展开的一个特殊情况。
泰勒级数展开是指将任意可导函数在其中一点x0附近展开成幂级数。
泰勒展开的前n+1项可以用n阶导数来表示，形式如下：f(x)=f(x0)+f'(x0)(x-x0)+f''(x0)(x-x0)^2/2!+f'''(x0)(x-x0)^3/3!+...+f^n(x0)(x-x0)^n/n!+...幂级数展开的应用非常广泛，它在数学、物理、工程学和计算机科学中都有着重要的地位。
以下是幂级数展开的几个典型应用：1.函数逼近幂级数展开是一种有效的函数逼近方法。
通过截断幂级数，我们可以用其前几项来近似计算函数的值。
这对于高阶函数和复杂函数来说是非常有用的，因为我们可以通过截断级数来减少计算的复杂性。
2.微分方程的求解使用幂级数展开的方法可以求解一些特定的微分方程。
对于一些微分方程，无法找到解析解，但通过将解展开成幂级数的形式，可以将微分方程转化为代数方程，从而求得解的逼近解。
3.近似计算幂级数展开是一种常用的近似计算方法。
通过截取幂级数的前几项，我们可以将一个复杂的函数近似成一个简单的形式，从而方便我们进行数值计算。
4.解析几何的研究在解析几何中，幂级数展开是研究曲线和曲面的重要工具。
通过展开曲线或曲面，我们可以对其性质进行分析和计算，帮助我们更好地理解几何问题。
幂级数ppt
定理 1 (Abel 定理)
（1）如果级数 an x n 在 x x0 ( x0 0)处收敛,则
n0
它在满足不等式 x x0 的一切 x处绝对收敛;
（2）如果级数 an x n 在 x x0处发散,则它在满
n0
足不等式 x x0 的一切 x处发散.
几何说明
收敛区域
o
• • •• • • ••• • •
发散区域 R
R 发散区域 x
推论
如果幂级数 an x n 不是仅在x 0 一点收敛,也
n0
不是在整个数轴上都收敛,则必有一个完全确定
的正数 R 存在,它具有下列性质: 当 x R时,幂级数绝对收敛; 当 x R时,幂级数发散; 当 x R与x R时,幂级数可能收敛也可能发散.
15
收敛半径为R 1 ，收敛区间为（1，2）.
2
当x 2时，原级数化为收敛的 交错级数
(1)n
;
x 1时，原级数化为
1 ,发散.
n0 2n 1
n0 2n 1
因此原级数的收敛域为 （1，2 ].
三、幂级数的运算
1、代数运算性质
设 an xn和 bn xn的收敛半径各为R1和R2 ,
n0
n0
证明 对级数 an xn 应用达朗贝尔判别法
n0
lim
n
an1 an
x n1 xn
lim an1 n an
x
x,
17
（1）由比值审敛法, 当 | x | 1 时,
级数| an xn | 收敛, 从而级数 an xn绝对收敛.
n0
n0
当 | x | 1 时,
级数 | an xn | 发散,
n0
幂级数的定义及其收敛性分析
幂级数的定义及其收敛性分析幂级数是数学中重要的一类级数，它在各个数学分支中有着广泛的应用。
本文将介绍幂级数的定义，并对其收敛性进行分析。
一、幂级数的定义幂级数是指形如∑(an*x^n)的级数，其中an为系数，x为变量，n为指数。
其中，an可以是实数也可以是复数，x可以是实数或复数。
幂级数的一般形式为：∑(an*x^n) = a0 + a1*x + a2*x^2 + a3*x^3 + ... + an*x^n + ...二、幂级数的收敛性分析对于幂级数的收敛性，我们需要分析其收敛域。
收敛域是指幂级数在哪些点上收敛，以及在哪些点上发散。
1. 收敛半径收敛域的核心是收敛半径，记作R。
幂级数在收敛半径范围内收敛，在其外发散。
收敛半径的计算可以使用伯努利、根值或比值法等。
2. 收敛域类型根据收敛半径的值，幂级数的收敛域可以分为三种类型：a) 当R=0时，幂级数在x=0处收敛；b) 当0<R<∞时，幂级数在(x-R, x+R)范围内收敛；c) 当R=∞时，幂级数在整个定义域内收敛。
3. 边界收敛如果幂级数在某个或某些边界点上收敛，但在该边界范围内不一定绝对收敛，只是条件收敛。
这种情况称为边界收敛。
三、幂级数的应用幂级数在数学中有着广泛的应用，下面简要介绍几个常见的应用领域：1. 函数展开幂级数可以用来展开各种函数，使其在某个特定区间上变为幂级数形式。
利用这种展开，我们可以方便地对函数进行近似计算，提高计算的精度和效率。
2. 微分方程幂级数可以用来解微分方程。
通过将微分方程变换成幂级数形式，再求解该幂级数，可以得到微分方程的解析解。
3. 物理应用幂级数在物理学中有着广泛的应用。
例如，波函数展开、场变量展开等都可以利用幂级数进行表示和计算。
四、结论幂级数作为一种重要的数学工具，在数学和物理学中有着广泛的应用。
本文介绍了幂级数的定义，讨论了幂级数的收敛性及其应用领域。
通过对幂级数的研究，可以深入理解其在数学和自然科学中的重要作用。
高考数学知识点精讲幂级数的展开与收敛半径
高考数学知识点精讲幂级数的展开与收敛半径高考数学知识点精讲：幂级数的展开与收敛半径在高考数学中，幂级数是一个重要的知识点，其中幂级数的展开与收敛半径更是理解和解决相关问题的关键。
让我们一起来深入探讨这个知识点，帮助同学们在高考中轻松应对相关题型。
首先，我们来了解一下什么是幂级数。
简单来说，幂级数就是形如∑（n=0 到∞） aₙ xⁿ ＝ a₀＋ a₁ x ＋ a₂ x²＋ a₃ x³＋的无穷级数。
其中，aₙ 被称为幂级数的系数，x 是变量。
那么，为什么要研究幂级数的展开呢？这是因为通过将一些复杂的函数展开成幂级数的形式，我们能够更方便地对其进行分析、计算和研究。
接下来，我们看看幂级数的展开方法。
常见的有直接展开法和间接展开法。
直接展开法是根据幂级数的定义，利用泰勒公式将函数在某一点展开成幂级数。
泰勒公式为：f(x) ＝ f(x₀) ＋ f'（x₀)（x x₀) ＋ f'＇（x₀)（x x₀)²／ 2! ＋ f'＇＇（x₀)（x x₀)³／ 3! ＋。
例如，对于函数 f(x) ＝eˣ，我们想在 x ＝ 0 处将其展开成幂级数。
首先求导可得 f'（x) ＝eˣ，f'＇（x) ＝eˣ，f'＇＇（x) ＝eˣ，，所以f(0) ＝ 1，f'（0) ＝ 1，f'＇（0) ＝ 1，，则eˣ ＝ 1 ＋ x ＋ x²／ 2! ＋ x³／ 3! ＋。
间接展开法则是利用已知的幂级数展开式，通过一些运算（如四则运算、变量代换等）得到新的幂级数展开式。
比如，已知 1 ／（1 x) ＝ 1 ＋ x ＋ x²＋ x³＋（｜x| ＜ 1），那么通过将 x 替换为 x²，可以得到 1 ／（1 ＋ x²) ＝ 1 x²＋ x⁴ x⁶＋（｜x| ＜ 1）。
讲完了幂级数的展开，我们再来重点探讨一下收敛半径。
函数的幂级数展开式
函数的幂级数展开式幂级数是一种将函数表示为无限多个幂次项相加的方法。
它在数学和工程领域中有着广泛的应用，例如在微积分、微分方程、信号处理和多项式插值等方面。
幂级数展开式将函数表示为无限多个幂次项的和，其形式通常如下：f(x)=a0+a1*(x-x0)+a2*(x-x0)^2+a3*(x-x0)^3+...其中，f(x)是要展开的函数，a0、a1、a2、a3...是待定系数，x0是展开点。
幂级数展开的思想是通过将函数用展开点处的函数值及其各阶导数表示，来逼近原函数。
根据函数的性质和需求的精确度，可以选择合适的展开点和阶次。
许多函数都可以通过幂级数展开来表示。
例如，正弦函数和余弦函数的幂级数展开为：sin(x) = x - (x^3)/3! + (x^5)/5! - (x^7)/7! + ...cos(x) = 1 - (x^2)/2! + (x^4)/4! - (x^6)/6! + ...指数函数和对数函数的幂级数展开为：exp(x) = 1 + x + (x^2)/2! + (x^3)/3! + (x^4)/4! + ...ln(1 + x) = x - (x^2)/2 + (x^3)/3 - (x^4)/4 + ...幂级数展开的优点是可以使用少量的项来近似表示复杂的函数。
通常情况下，越多的项被保留，展开后的函数越接近原函数。
通过截取适当的阶次，可以有效地求解一些无法直接求解的问题。
例如，当需要计算一个不可积的函数的定积分时，可以将该函数展开为幂级数，然后对每一项进行积分，最后得到的幂级数在展开点附近的部分进行积分，从而得到原函数的近似积分值。
幂级数还具有良好的代数性质。
可以对幂级数进行加法、乘法、求导和求积等操作，从而可以将复杂的函数运算简化为对幂级数的操作。
这使得幂级数展开成为一种重要的工具，在许多数学和工程问题的求解中起到关键作用。
总之，幂级数展开是一种将函数表示为无限多个幂次项的和的方法。
函数的幂级数展开-逼近定理汇总
2
傅里叶级数由正弦函数和余弦函数构成，可以表 示为无穷级数的和，其中每一项都是正弦函数或 余弦函数的线性组合。
3
傅里叶级数的定义基于三角函数的正交性，即在 一个周期内，任何两个不同的三角函数都不会有 相同的积分。
傅里叶级数展开的几何意义
01
傅里叶级数展开的几何意义是将一个周期函数表示为一系列正 弦函数和余弦函数的叠加。
收敛性的判定主要依赖于幂级数的系数和项数， 以及自变量 (x) 的取值范围。
02 泰勒级数展开
泰勒级数定义
泰勒级数定义
对于在某点的可微函数，可以表 示为在该点的n阶导数与n阶倒数 的无穷乘积，即f(x)=f(a)+f'(a)(xa)+f''(a)(xa)^2/2!+...+f^(n)(a)(x-
收敛性的判定通常基于三角函数的性质和函数的周期性，不同的函数可能 有不同的收敛条件和收敛速度。
04 拉格朗日插值法
拉格朗日插值法定义
拉格朗日插值法是一种通过已知的离 散数据点来构造一个多项式，并利用 该多项式对未知数据进行逼近的方法 。
该方法由意大利数学家约瑟夫·拉格朗 日于18世纪提出，是数值逼近理论中 的重要工具之一。
牛顿插值法的收敛性
牛顿插值法的收敛性是指当插值节点增加时，插值多项式的逼近效果会越来越好。具体来说，如果函 数在插值节点上取值的极限存在，则当插值节点趋于无穷时，插值多项式的极限就是该函数的极限。
然而，如果函数在插值节点上取值的极限不存在，则插值多项式的极限也不存在，此时插值多项式无 法逼近该函数。因此，在使用牛顿插值法时需要注意函数的性质和取值情况。
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n
n 1
例5.
的和函数 .
解: 由例2可知级数的收敛半径 R＝+∞. 设
则
故有 因此得
x n 1 S ( x) n 1 ( n 1) !
S ( x)
e x S ( x) 0
S ( x) C e x
x
由S (0) 1得 S ( x) e , 故得
n x n 1 ( 1) ln(1 x ). ( 1 x 1) n n 1
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例7.
的和函数
解: 易求出幂级数的收敛半径为 1 , x＝±1 时级数发 散,
n x ( x ) x x n
x x 1 x
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1) 若 ≠0, 则根据比值审敛法可知:
因此级数的收敛半径 R
1
2) 若 0, 则根据比值审敛法可知, 对任意 x 原级数 绝对收敛 , 因此 R ; 3) 若 , 则对除 x = 0 以外的一切 x 原级发散 ,
.
因此 R 0 .
n 0
n a x n
则对满足不等式
的一切 x 幂级数都绝对收敛.
反之, 若当 时该幂级数发散 , 则对满足不等式 的一切 x , 该幂级数也发散 . 证: 设 收敛, 则必有 于是存在
常数 M > 0, 使
收敛 发散
发
散
收
O 敛
发
阿贝尔 目录 上页
散
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x
结束
an x
n
n an x0
n 1
n 1
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结束
例8. 求级数
的和函数
解: 易求出幂级数的收敛半径为 1 ,
收敛 , x = 1 时级数发散,
xS ( x )
n 0
x n 1 , n1
1 n xS ( x ) x ,( 1 x 1)
n 0
1 x
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1 n! lim 1 n (n 1) !
0
返回
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例3.
的收敛半径 .
解: 级数缺少奇次幂项,不能直接应用定理2, 故直接由 比值审敛法求收敛半径.
[ 2 (n 1) ] ! 2 ( n 1) x 2 [ (n 1) ! ] u n 1 ( x) lim lim [ 2n] ! 2n n u n ( x ) n 2 x [n! ]
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例 6 求级数
n 1 ( 1 ) n 1
xn 的和函数. n
解: 易求出幂级数的收敛半径为 1 ,
收敛 , x = 1 时级数发散。
s( x ) ( 1)
n 1
n 1
x , n
n
显然 s(0) 0,
( 1 x 1)
1 2 s ( x) 1 x x , 1 x
说明:据此定理
an 的收敛半径为 R lim n an 1
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例1.求幂级数 的收敛半径及收敛域.
1 lim n 1 n n 1
an 解: R lim n an 1
对端点 x = 1, 级数为交错级数
对端点 x =－1, 级数为 故收敛域为 (1, 1] .
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收敛;
发散 .
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例2. 求下列幂级数的收敛域 :
规定: 0 ! = 1
解: (1)
an R lim n an 1
所以收敛域为 ( , ) . an n ! lim (2) R lim n an 1 n (n 1) ! 所以级数仅在 x = 0 处收敛 .
n n 0
n 1 na x n n 0
( R x R)
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3、 (逐项积分) S(x)在收敛域内可积,且
注
x
0
s( x )dx
n 0
x
0
a x dx
n n 0 n
n 0
x
0
an n1 x an x dx n 0 n 1
满足不等式 x x0 的 x , 原幂级数也发散 .
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证毕
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几何说明 收敛区域
R 发散区域 发散区域 R o 推论 n 如果幂级数 a n x 不是仅在 x 0 一点收敛 ,
x
n 0
也不是在整个数轴上都收敛, 则必有一个完全 确定的正数 R 存在,它具有下列性质:
n 0 n 0
an x n bn x n cn x n ,
n 0 n 0
其中
以上结论可用部分和 的极限证明 .
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说明: 两个幂级数相除所得幂级数的收敛半径可能比
原来两个幂级数的收敛半径小得多. 例如, 设
( a0 1, an 0 , n 1, 2 , )
两边积分得
x
0
s( t )dt ln(1 x )
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即 s( x ) s(0) ln(1 x )
s( x ) ln(1 x ),
又 x 1 时,
( 1) n1
n1
1 收敛. n
即在x=1单侧连续 因为ln(1+x)在x=1单侧连续
第三节
幂级数
一、函数项级数的概念 二、幂级数及其收敛性 三、幂级数的运算
第十二章
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一、 函数项级数的概念
设 un ( x) (n 1, 2 ,) 为定义在区间 I 上的函数, 称
为定义在区间 I 上的函数项级数 . 对 若常数项级数 收敛, 称 x0 为其收
敛点, 所有收敛点的全体称为其收敛域 ; 若常数项级数 发散 , 称 x0 为其发散点, 所有
x x n a n x0 n x0 x0
收敛,
n
n
当 x x0 时,
故原幂级数绝对收敛 .
也收敛,
反之, 若当 x x0 时该幂级数发散 , 下面用反证法证之.
假设有一点 x1 满足 x1 x0 且使级数收敛 , 则由前
面的证明可知, 级数在点 x 0 也应收敛, 与所设矛盾, 故假设不真. 所以若当 x x0 时幂级数发散 , 则对一切
三、幂级数的运算
定理3. 设幂级数
及
的收敛半径分别为
R1 , R2 , 令 R min R1 , R2 , 则有 :
n 0 n a x n (为常数 )
n n
x R1 x R x R
n 0
an x
n 0
n
bn x (an bn ) x ,
所以级数的收敛域仅为
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二、幂级数及其收敛性
形如
的函数项级数称为幂级数, 其中数列 为幂级数的系数 . 下面着重讨论 的情形, 即
称
1 , x 1 即是此种情形. 例如, 幂级数 x 1 x n 0
n
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定理 1. ( Abel定理 ) 若幂级数
ln(1 x ),(1 x 1)
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S ( x)
(0 x 1 及
)
ln (1 x) 而 x = 0 时级数收敛于1, lim 1, x 0 x
因此由和函数的连续性得: 1 ln(1 x) , x
x [1, 0) (0 ,1)
0 R , 幂级数在 (－R , R ) 收敛 ; 在[－R , R ]
外发散; 在 x R 可能收敛也可能发散 . R 称为收敛半径 ，(－R , R ) 称为收敛区间. (－R , R ) 加上收敛的端点称为收敛域. 问题 如何求幂级数的收敛半径?
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定理2. 若
1 2n1 (n 1)
2n1 (n 1) lim 2 n n 2 n
当 t = 2 时, 级数为
当 t = – 2 时, 级数为
此级数发散;
此级数条件收敛;
因此级数的收敛域为 2 t 2 , 故原级数的收敛域为
即 1 x 3 .
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n
n a x 幂级数 n 经逐项求导和逐项积分后所
得的新幂级数在 x =±R 处的收敛问题,一般有： (1) 若
n a x n 在 x = R 或 x = - R 处发散, 则逐项 n 0
求导后的新幂级数 若
n 0
n 1 na x n 一定在x= R或x=-R处发散. n 0
当4 x 1 当4 x 1
2
2
( 2 n 1)(2 n 2) 2 2 lim x 4 x n ( n 1 )2 时级数收敛 1 故收敛半径为 R . 2 时级数发散
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例4. 解: 令 级数变为
的收敛域.
1 an R lim lim 2n n n a n n 1