第 12 章 幂级数
本章整理幂级数的收敛半径与收敛区间、分析性质、泰勒级数、初等函数的幂级数展开以及幂级数在近似计算与求和中的应用。幂级数是函数项级数中最重要的一类。
12.1 幂级数及其收敛性
12.1.1 定义
形如 $$\sum_{n=0}^{\infty}a_n(x-x_0)^n=a_0+a_1(x-x_0)+a_2(x-x_0)^2+\cdots$$ 的函数项级数称为幂级数,其中 $a_n$ 为常数,$x_0$ 为展开中心。
- 当 $x_0=0$ 时,幂级数为 $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n$。
- 幂级数的收敛域一定是区间(可能退化为一点或整个实数轴)。
12.1.2 阿贝尔定理
若幂级数 $\displaystyle\sum a_nx^n$ 在 $x=x_1\ne0$ 处收敛,则对任意满足 $|x|<|x_1|$ 的 $x$,幂级数绝对收敛;若在 $x=x_2$ 处发散,则对任意满足 $|x|>|x_2|$ 的 $x$,幂级数发散。
- 由此,存在唯一的 $R\in[0,+\infty]$,使:
- 当 $|x|<R$ 时,幂级数绝对收敛;
- 当 $|x|>R$ 时,幂级数发散;
- 当 $x=\pm R$ 时,敛散性需单独判断。
- $R$ 称为收敛半径,$(-R,R)$ 称为收敛区间(开区间)。加上端点中收敛的点,得到收敛域。
12.1.3 收敛半径的求法
- 根值公式: $$\frac1R=\limsup_{n\to\infty}\sqrt[n]{|a_n|}.$$ 约定 $\dfrac10=+\infty$,$\dfrac1{+\infty}=0$。
- 比值公式:若极限存在, $$R=\lim_{n\to\infty}\left|\frac{a_n}{a_{n+1}}\right|.$$
- 对 $\displaystyle\sum a_n(x-x_0)^n$,收敛半径同上,收敛区间为 $(x_0-R,x_0+R)$。
- 端点 $x=x_0\pm R$ 处代入原级数,化为数项级数另行判断。
12.1.4 收敛域的结构
- 收敛域是区间,可能是:
- 单点 ${x_0}$($R=0$);
- 开区间、半开半闭区间、闭区间;
- 整个 $\mathbb{R}$($R=+\infty$)。
12.2 幂级数的分析性质
12.2.1 内闭一致收敛
设幂级数的收敛半径为 $R>0$,则对任意 $0<r<R$,幂级数在 $[-r,r]$ 上一致收敛(对 $x_0=0$ 的情形)。
- 由阿贝尔定理与 $M$ 判别法可得。
- 因此幂级数在收敛区间内部可以逐项积分、逐项求导。
12.2.2 和函数的连续性
- 幂级数的和函数 $S(x)$ 在 $(-R,R)$ 内连续。
- 若幂级数在端点 $x=R$ 处收敛,则 $S(x)$ 在 $R$ 处左连续;若在 $x=-R$ 处收敛,则右连续(阿贝尔第二定理)。
12.2.3 逐项积分
设 $\displaystyle S(x)=\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n$,$|x|<R$,则对任意 $x\in(-R,R)$, $$\int_0^xS(t),\mathrm dt=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{a_n}{n+1}x^{n+1},$$ 且右端幂级数的收敛半径仍为 $R$。
- 逐项积分可能改善端点处的收敛性。
12.2.4 逐项求导
设 $\displaystyle S(x)=\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n$,$|x|<R$,则 $S$ 在 $(-R,R)$ 内可导,且 $$S'(x)=\sum_{n=1}^{\infty}na_nx^{n-1},$$ 右端幂级数的收敛半径仍为 $R$。
- 可重复求导: $$S^{(k)}(x)=\sum_{n=k}^{\infty}n(n-1)\cdots(n-k+1)a_nx^{n-k}.$$
- 逐项求导可能降低端点处的收敛性。
12.2.5 系数唯一性
- 若在 $(-R,R)$ 内 $$\sum_{n=0}^{\infty}a_nx^n=\sum_{n=0}^{\infty}b_nx^n,$$ 则 $a_n=b_n$($n=0,1,2,\dots$)。
- 因此函数的幂级数展开(若存在)是唯一的。
12.3 泰勒级数
12.3.1 定义
设 $f$ 在 $x_0$ 的某邻域内无穷次可导,称幂级数 $$\sum_{n=0}^{\infty}\frac{f^{(n)}(x_0)}{n!}(x-x_0)^n$$ 为 $f$ 在 $x_0$ 处的泰勒级数。当 $x_0=0$ 时,称为麦克劳林级数。
- 泰勒级数在收敛区间内是否收敛于 $f$,需要考察余项: $$R_n(x)=f(x)-\sum_{k=0}^n\frac{f^{(k)}(x_0)}{k!}(x-x_0)^k.$$
- $f$ 在 $x_0$ 的某邻域内等于其泰勒级数当且仅当 $$\lim_{n\to\infty}R_n(x)=0.$$
- $f$ 无穷次可导($C^\infty$)不一定能展开成泰勒级数。例如 $$f(x)=\begin{cases}\mathrm e^{-1/x^2},&x\ne0,\0,&x=0\end{cases}$$ 在 $0$ 处各阶导数都为 $0$,其泰勒级数恒为 $0$,但在 $x\ne0$ 处 $f(x)\ne0$。
- 若 $f$ 在包含 $x_0$ 的某区间内有任意阶导数,且存在 $M>0$,使 $$|f^{(n)}(x)|\le M\quad(n=0,1,2,\dots),$$ 则该区间内的泰勒级数收敛于 $f$。
12.3.2 泰勒级数与泰勒公式的关系
- 泰勒公式: $$f(x)=\sum_{k=0}^n\frac{f^{(k)}(x_0)}{k!}(x-x_0)^k+R_n(x).$$
- 泰勒级数就是把 $n\to\infty$ 的极限形式。
- 常用余项:拉格朗日余项、佩亚诺余项、积分余项。
12.4 初等函数的幂级数展开
12.4.1 基本展开式
$$\frac1{1-x}=\sum_{n=0}^{\infty}x^n=1+x+x^2+\cdots\quad(|x|<1),$$
$$\frac1{1+x}=\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^nx^n\quad(|x|<1),$$
$$\mathrm e^x=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^n}{n!}\quad(x\in\mathbb{R}),$$
$$\sin x=\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^n\frac{x^{2n+1}}{(2n+1)!}\quad(x\in\mathbb{R}),$$
$$\cos x=\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^n\frac{x^{2n}}{(2n)!}\quad(x\in\mathbb{R}),$$
$$\ln(1+x)=\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1}\frac{x^n}{n}\quad(-1<x\le1),$$
$$\arctan x=\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^n\frac{x^{2n+1}}{2n+1}\quad(-1\le x\le1),$$
$$(1+x)^\alpha=1+\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\alpha(\alpha-1)\cdots(\alpha-n+1)}{n!}x^n\quad(|x|<1).$$
- 二项式级数在端点 $x=\pm1$ 的敛散性取决于 $\alpha$,需单独讨论。
- $\sinh x$、$\cosh x$ 的展开可由 $\mathrm e^x$ 与 $\mathrm e^{-x}$ 组合得到。
12.4.2 展开方法
- 直接法:求 $f^{(n)}(0)$,写出麦克劳林级数并验证余项。
- 代换法:利用已知展开式,例如 $\mathrm e^{-x^2}$ 由 $\mathrm e^t$ 的展开令 $t=-x^2$。
- 逐项求导/积分法:例如由 $\dfrac1{1+x}$ 积分得到 $\ln(1+x)$,由 $\dfrac1{1+x^2}$ 积分得到 $\arctan x$。
- 四则运算法:对已知级数进行加减乘除,注意收敛域。
- 待定系数法:适用于求微分方程的解或某些特殊函数展开。
12.4.3 常用展开的收敛域
| 函数 | 展开式 | 收敛域 |
|---|---|---|
| $\dfrac1{1-x}$ | $\sum x^n$ | $(-1,1)$ |
| $\mathrm e^x$ | $\sum\dfrac{x^n}{n!}$ | $\mathbb{R}$ |
| $\sin x$ | $\sum(-1)^n\dfrac{x^{2n+1}}{(2n+1)!}$ | $\mathbb{R}$ |
| $\cos x$ | $\sum(-1)^n\dfrac{x^{2n}}{(2n)!}$ | $\mathbb{R}$ |
| $\ln(1+x)$ | $\sum(-1)^{n-1}\dfrac{x^n}{n}$ | $(-1,1]$ |
| $\arctan x$ | $\sum(-1)^n\dfrac{x^{2n+1}}{2n+1}$ | $[-1,1]$ |
| $(1+x)^\alpha$ | 二项式级数 | $(-1,1)$(端点另论) |
12.5 幂级数的应用
12.5.1 近似计算
- 用幂级数的部分和近似函数值,余项用交错级数估计或拉格朗日余项估计。
- 例: $$\sin x\approx x-\frac{x^3}{3!}+\frac{x^5}{5!},$$ $$\mathrm e^x\approx1+x+\frac{x^2}{2!}+\frac{x^3}{3!}.$$
- 误差估计:若为交错级数且满足莱布尼茨条件,误差不超过第一个被舍去项的绝对值。
12.5.2 求极限
- 将函数展开到适当阶数,消去低阶项。
- 例: $$\lim_{x\to0}\frac{\sin x-x}{x^3} =\lim_{x\to0}\frac{-\frac{x^3}6+o(x^3)}{x^3}=-\frac16.$$
12.5.3 计算积分
- 对原函数不是初等函数的积分,可先展开被积函数,再逐项积分。
- 例: $$\int_0^1\mathrm e^{-x^2},\mathrm dx =\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n}{n!(2n+1)}.$$
- 逐项积分的合法性由幂级数在收敛区间内闭一致收敛保证。
12.5.4 求数项级数的和
- 构造幂级数 $S(x)=\sum a_nx^n$,求出和函数后令 $x$ 取特定值(需在收敛域内或利用阿贝尔定理取极限)。
- 例: $$\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n-1}}n=\ln2,$$ $$\sum_{n=1}^{\infty}\frac1{n2^n}=-\ln\left(1-\frac12\right)=\ln2.$$
12.5.5 求和函数的方法
- 直接套用已知展开式。
- 逐项求导:若 $\sum na_nx^{n-1}$ 易求,先求导再积分。
- 逐项积分:若 $\sum\dfrac{a_n}{n+1}x^{n+1}$ 易求,先积分再求导。
- 解微分方程:设 $S(x)=\sum a_nx^n$,利用系数关系建立 $S$ 的微分方程。
- 拆项:把系数拆成已知级数的线性组合。
12.5.6 欧拉公式
$$\mathrm e^{\mathrm ix}=\cos x+\mathrm i\sin x\quad(x\in\mathbb{R}).$$
- 由此可得 $$\cos x=\frac{\mathrm e^{\mathrm ix}+\mathrm e^{-\mathrm ix}}2,\qquad \sin x=\frac{\mathrm e^{\mathrm ix}-\mathrm e^{-\mathrm ix}}{2\mathrm i}.$$
- 欧拉公式把三角函数与指数函数联系起来,是复变函数与傅里叶分析的基础。
练习
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求幂级数 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{x^n}{n}$ 的收敛半径和收敛域。
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求幂级数 $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^n}{n!}$ 的收敛半径和收敛域。
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求幂级数 $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}n!x^n$ 的收敛半径。
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求幂级数 $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(x-1)^n}{2^n}$ 的收敛半径和收敛域。
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求 $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}x^n$ 的和函数及收敛域。
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求 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}nx^n$ 的和函数($|x|<1$)。
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求 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{x^n}{n}$ 的和函数及收敛域。
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将 $\mathrm e^{-x^2}$ 展开为麦克劳林级数,并写出收敛域。
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将 $\ln(1+x)$ 展开为麦克劳林级数,指出收敛域。
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用幂级数计算 $\displaystyle\int_0^1\mathrm e^{-x^2},\mathrm dx$ 的级数表示,并求前 $3$ 项近似值。
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用幂级数求 $\lim\limits_{x\to0}\dfrac{\sin x-x}{x^3}$。
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将 $\arctan x$ 展开为麦克劳林级数,并指出收敛域。
检测题
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求 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{2^nx^n}{n}$ 的收敛半径和收敛域。
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求 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(x+2)^n}{n3^n}$ 的收敛半径和收敛域。
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求 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}n(n+1)x^n$ 的和函数($|x|<1$)。
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将 $\sin(x^2)$ 展开为麦克劳林级数,并写出收敛域。
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将 $\dfrac{x}{1+x^2}$ 展开为幂级数,并写出收敛域。
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用幂级数求 $\lim\limits_{x\to0}\dfrac{\mathrm e^x-1-x}{x^2}$。
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用幂级数近似计算 $\sin0.1$,要求误差小于 $10^{-5}$。
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求 $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(n!)^2}{(2n)!}x^n$ 的收敛半径。
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求 $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^n}{n+1}$ 的和函数($|x|<1$)。
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利用 $\arctan x$ 的展开式计算 $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n}{2n+1}$。
参考答案与提示
- 由比值公式, $$R=\lim_{n\to\infty}\frac{1/n}{1/(n+1)}=1.$$ 当 $x=1$ 时为调和级数,发散;当 $x=-1$ 时为交错级数,收敛。故收敛域为 $[-1,1)$。
- $$R=\lim_{n\to\infty}\frac{1/n!}{1/(n+1)!}=\lim_{n\to\infty}(n+1)=+\infty,$$ 收敛域为 $\mathbb{R}$。
- $$R=\lim_{n\to\infty}\frac{n!}{(n+1)!}=0,$$ 仅在 $x=0$ 处收敛。
- 令 $t=x-1$,$\sum\dfrac{t^n}{2^n}$ 的收敛半径为 $2$,故原级数收敛半径为 $2$,收敛区间为 $(-1,3)$。端点 $x=-1$ 时 $\sum(-1)^n$ 发散,$x=3$ 时 $\sum1$ 发散,故收敛域为 $(-1,3)$。
- $$\sum_{n=0}^{\infty}x^n=\frac1{1-x},\qquad |x|<1.$$
- 由 $\displaystyle\sum_{n=0}^{\infty}x^n=\frac1{1-x}$ 逐项求导: $$\sum_{n=1}^{\infty}nx^{n-1}=\frac1{(1-x)^2},$$ 故 $$\sum_{n=1}^{\infty}nx^n=\frac{x}{(1-x)^2},\qquad |x|<1.$$
- 由 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}x^{n-1}=\frac1{1-x}$ 逐项积分: $$\sum_{n=1}^{\infty}\frac{x^n}{n}=-\ln(1-x),\qquad -1\le x<1.$$ 在 $x=-1$ 处级数收敛于 $-\ln2$。
- 由 $\mathrm e^t=\sum\dfrac{t^n}{n!}$ 令 $t=-x^2$: $$\mathrm e^{-x^2}=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^nx^{2n}}{n!},\qquad x\in\mathbb{R}.$$
- $$\ln(1+x)=\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1}\frac{x^n}{n},\qquad -1<x\le1.$$
- $$\int_0^1\mathrm e^{-x^2},\mathrm dx =\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n}{n!(2n+1)}.$$ 前三项: $$1-\frac13+\frac1{10}=\frac{23}{30}\approx0.7667.$$ 误差不超过下一项 $\dfrac1{42}\approx0.0238$。
- $\sin x=x-\dfrac{x^3}6+o(x^3)$,故 $$\frac{\sin x-x}{x^3}\to-\frac16.$$
- $$\arctan x=\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^n\frac{x^{2n+1}}{2n+1},\qquad -1\le x\le1.$$
检测题参考答案
- 令 $t=2x$,$\sum\dfrac{t^n}{n}$ 的收敛半径为 $1$,故原级数收敛半径为 $\dfrac12$。端点 $x=\dfrac12$ 时为调和级数,发散;$x=-\dfrac12$ 时为交错级数,收敛。收敛域为 $\left[-\dfrac12,\dfrac12\right)$。
- 令 $t=x+2$,$\sum\dfrac{t^n}{n3^n}$ 的收敛半径为 $3$,故原级数收敛半径为 $3$,收敛区间为 $(-5,1)$。端点 $x=-5$ 时为 $\sum\dfrac{(-1)^n}{n}$,收敛;$x=1$ 时为调和级数,发散。收敛域为 $[-5,1)$。
- 已知 $$\sum_{n=1}^{\infty}nx^n=\frac{x}{(1-x)^2},\qquad \sum_{n=1}^{\infty}n^2x^n=\frac{x(1+x)}{(1-x)^3}.$$ 故 $$\sum_{n=1}^{\infty}n(n+1)x^n =\sum n^2x^n+\sum nx^n =\frac{x(1+x)}{(1-x)^3}+\frac{x}{(1-x)^2} =\frac{2x}{(1-x)^3}.$$
- 由 $\sin t=\sum(-1)^n\dfrac{t^{2n+1}}{(2n+1)!}$ 令 $t=x^2$: $$\sin(x^2)=\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^n\frac{x^{4n+2}}{(2n+1)!},\qquad x\in\mathbb{R}.$$
- $$\frac{x}{1+x^2}=x\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^nx^{2n} =\sum_{n=0}^{\infty}(-1)^nx^{2n+1},\qquad |x|<1.$$
- $\mathrm e^x=1+x+\dfrac{x^2}2+o(x^2)$,故 $$\frac{\mathrm e^x-1-x}{x^2}\to\frac12.$$
- $$\sin x=x-\frac{x^3}{3!}+\frac{x^5}{5!}-\cdots$$ 取 $x=0.1$: $$\sin0.1\approx0.1-\frac{0.001}{6}=0.1-0.00016667=0.09983333.$$ 下一项为 $\dfrac{0.1^5}{120}\approx8.33\times10^{-8}<10^{-5}$,满足精度要求。
- 由比值公式, $$R=\lim_{n\to\infty}\frac{(n!)^2}{(2n)!}\cdot\frac{(2n+2)!}{((n+1)!)^2} =\lim_{n\to\infty}\frac{(2n+2)(2n+1)}{(n+1)^2}=4.$$
- 当 $x\ne0$ 时, $$\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^n}{n+1} =\frac1x\sum_{n=0}^{\infty}\frac{x^{n+1}}{n+1} =-\frac{\ln(1-x)}x.$$ 当 $x=0$ 时,和函数为 $1$。收敛域为 $[-1,1)$。
- 在 $\arctan x$ 的展开式中令 $x=1$: $$\arctan1=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n}{2n+1}=\frac\pi4.$$