2011年考研数学一第2题

选择题 · 4分

📝 题目

设数列 $\left\{a_{n}\right\}$ 单调减少, $\displaystyle\lim _{n \rightarrow \infty} a_{n}=0, S_{n}=\displaystyle\sum_{k=1}^{n} a_{k}(n=1,2, \cdots)$ 无界,则幂级数 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_{n}(x-1)^{n}$ 的收敛域为( )

A
$(-1,1]$ .
B
$[-1,1)$ .
C
$[0,2)$ .
D
$(0,2]$ .

💡 答案解析

**答案**: (C)。

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**解析**:

因为 $S_{n}=a_{1}+a_{2}+\cdots+a_{n}$ 无界,所以 $\displaystyle\lim _{n \rightarrow \infty} S_{n}$ 不存在, 于是级数 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_{n}$ 发散,即级数 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_{n} x^{n}$ 在 $x=1$ 处发散; 因为 $\left\{a_{n}\right}$ 单调递减且 $\displaystyle\lim _{n \rightarrow \infty} a_{n}=0$ ,所以由莱布尼茨审玫法得 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n} a_{n}$ 收敛, 即级数 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_{n} x^{n}$ 在 $x=-1$ 处收敛,从而级数 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_{n} x^{n}$ 的收敛半径为 $R=1$ ,且收敛域为 $[-1,1)$ ,故级数 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_{n}(x-1)^{n}$ 的收敛域为 $-1 \leqslant x-1\lt 1$ ,即 $[0,2)$ ,应选(C).

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:判断原级数在x=1处的敛散性
设原级数为 $\sum_{n=1}^{\infty} a_n x^n$,其中 $a_n$ 为已知系数。当 $x=1$ 时,级数化为 $\sum_{n=1}^{\infty} a_n$。我们需要判断该数项级数的敛散性。 首先,考虑部分和 $S_N = \sum_{n=1}^{N} a_n$。由题目已知条件(或通过其他步骤推导)可知,部分和 $S_N$ 无界。这是因为题目中隐含了 $a_n$ 不趋于零或部分和发散的信息。具体地,若 $\lim_{n \to \infty} a_n \neq 0$,则级数必发散;但更一般地,即使 $a_n \to 0$,部分和无界也意味着级数发散。 由于部分和 $S_N$ 无界,根据级数收敛的必要条件(部分和有界)的逆否命题,可知级数 $\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ 发散。因此,原幂级数在 $x=1$ 处发散。 这一结论是后续步骤的基础:由于幂级数在 $x=1$ 处发散,其收敛半径 $R \leq 1$。同时,若已知级数在某个 $x_0$ 处收敛,则收敛半径至少为 $|x_0|$;此处发散则给出收敛半径的上界。 注意:这里仅判断了 $x=1$ 处的敛散性,并未涉及 $x=-1$ 或其他点。该步骤为整个问题提供了关键边界信息。
公式:$$S_N = \sum_{n=1}^{N} a_n, \quad \lim_{N \to \infty} S_N \text{ 不存在或有界性破坏} \Rightarrow \sum_{n=1}^{\infty} a_n \text{ 发散}$$
提示:判断端点敛散性时,直接代入 $x$ 值转化为数项级数,再分析部分和或通项。
步骤 2/5
目标:判断原级数在x=-1处的敛散性
已知幂级数 $\sum_{n=1}^{\infty} a_n x^n$,其中 $a_n$ 单调递减且趋于0。我们需要判断该级数在 $x = -1$ 处的敛散性。 当 $x = -1$ 时,原级数变为 $\sum_{n=1}^{\infty} a_n (-1)^n = \sum_{n=1}^{\infty} (-1)^n a_n$。这是一个交错级数,其通项为 $(-1)^n a_n$。 根据莱布尼茨审敛法(Leibniz test),若交错级数 $\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n-1} b_n$(或 $\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^n b_n$)满足以下两个条件: 1. $b_n$ 单调递减(即 $b_{n+1} \leq b_n$ 对所有 $n$ 成立); 2. $\lim_{n \to \infty} b_n = 0$, 则该交错级数收敛。 在本题中,$b_n = a_n$,已知 $a_n$ 单调递减且趋于0,因此两个条件均满足。于是由莱布尼茨审敛法可知,交错级数 $\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^n a_n$ 收敛。 因此,原幂级数在 $x = -1$ 处收敛。注意,这里仅判断了收敛性,并未涉及绝对收敛或条件收敛的进一步讨论。
公式:$$\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^n a_n \quad \text{收敛(由莱布尼茨审敛法)}$$
提示:注意莱布尼茨审敛法只适用于交错级数,且必须同时满足单调递减和极限为0两个条件。
步骤 3/5
目标:确定∑a_n x^n的收敛半径和收敛域
由前一步已知幂级数 $\sum a_n x^n$ 在 $x=1$ 处发散,在 $x=-1$ 处收敛。根据阿贝尔定理,幂级数的收敛区间关于原点对称,且收敛半径 $R$ 满足:若在 $x=R$ 处发散,在 $x=-R$ 处收敛,则收敛半径 $R$ 即为该端点绝对值。 具体地,设收敛半径为 $R$,则当 $|x|R$ 时发散。已知 $x=1$ 处发散,故 $R \leq 1$;又 $x=-1$ 处收敛,故 $R \geq 1$。因此必有 $R=1$。 收敛域需考虑端点:$x=1$ 处发散,故 $1$ 不在收敛域内;$x=-1$ 处收敛,故 $-1$ 在收敛域内。因此收敛域为 $[-1,1)$。 综上,幂级数 $\sum a_n x^n$ 的收敛半径 $R=1$,收敛域为 $[-1,1)$。
公式:$$R = \sup\{ |x| : \sum a_n x^n \text{ 收敛} \} = 1, \quad \text{收敛域} = [-1,1)$$
提示:利用阿贝尔定理:端点一收一发时,收敛半径即为该端点的绝对值。
步骤 4/5
目标:通过平移得到目标幂级数的收敛域
已知原幂级数为$\sum_{n=0}^{\infty} a_n (x-1)^n$,其收敛半径$R=1$,且由前一步骤已知在端点$x=0$处级数收敛,在$x=2$处级数发散。为了得到该幂级数的收敛域,我们进行变量平移。令$t = x-1$,则原级数化为$\sum_{n=0}^{\infty} a_n t^n$。这是一个以$t$为变量的标准幂级数,其收敛半径仍为$R=1$。因此,该幂级数在$|t|<1$时绝对收敛,在$|t|>1$时发散。在端点处,需要单独判断:当$t=-1$时,对应$x=0$,由前一步骤已知级数收敛;当$t=1$时,对应$x=2$,由前一步骤已知级数发散。所以,对于$t$的收敛域为$t \in [-1, 1)$。将$t=x-1$代回,得到$x-1 \in [-1, 1)$,即$x \in [0, 2)$。因此,原幂级数的收敛域为$x \in [0, 2)$。
公式:$$t = x-1, \quad \sum_{n=0}^{\infty} a_n (x-1)^n = \sum_{n=0}^{\infty} a_n t^n, \quad \text{收敛域: } t \in [-1,1) \Rightarrow x \in [0,2)$$
提示:平移变换后,注意端点对应关系,将t的收敛域准确映射回x。
步骤 5/5
目标:选择正确选项
根据前几步的计算,我们已经求出了幂级数的收敛半径 $R=1$,并分别检验了端点 $x=0$ 和 $x=2$ 处的敛散性。 当 $x=0$ 时,原级数化为 $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^n}{n}$,这是交错级数,满足莱布尼茨判别法条件,故收敛。 当 $x=2$ 时,原级数化为 $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n}$,这是调和级数,发散。 因此,幂级数的收敛域为 $[0,2)$,即左闭右开区间。对照题目给出的四个选项: (A) $(-1,1]$ \quad (B) $(-1,1)$ \quad (C) $[0,2)$ \quad (D) $(0,2]$ 显然,选项 (C) 与我们的计算结果完全一致。 最终答案验证:取 $x=0$ 代入原级数,得 $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^n}{n}$,收敛;取 $x=2$ 代入,得 $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n}$,发散;取 $x=1$ 代入,得 $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^n}{n} \cdot 1^n = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^n}{n}$,收敛,符合 $[0,2)$ 的特征。故正确选项为 (C)。
公式:\text{收敛域} = [0,2)
提示:端点检验时,分别代入后化为标准级数,利用已知结论快速判断。

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