西南财经大学 2020年数学分析第0题

考研真题

📝 题目

三、(20 分)求级数 $\displaystyle \sum_{n=2}^{\infty}(-1)^{n} \frac{1}{2^{n}\left(n^{2}-1\right)}$ 的和.

💡 答案解析

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📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:将通项分解为部分分式
注意到分母 $n^2-1 = (n-1)(n+1)$,设 $\frac{1}{(n-1)(n+1)} = \frac{A}{n-1} + \frac{B}{n+1}$,解得 $A = \frac12, B = -\frac12$,因此 $$ \frac{1}{n^2-1} = \frac12\left(\frac{1}{n-1} - \frac{1}{n+1}\right). $$ 原级数化为 $$ \sum_{n=2}^\infty (-1)^n \frac{1}{2^n} \cdot \frac12 \left( \frac{1}{n-1} - \frac{1}{n+1} \right) = \frac12 \sum_{n=2}^\infty (-1)^n \frac{1}{2^n} \left( \frac{1}{n-1} - \frac{1}{n+1} \right). $$
公式:\frac{1}{(n-1)(n+1)} = \frac12\left(\frac{1}{n-1} - \frac{1}{n+1}\right)
提示:分解时注意分母为零的点代入求系数,避免符号错误。
步骤 2/5
目标:将级数拆分为两个部分并调整求和指标
令 $S_1 = \sum_{n=2}^\infty (-1)^n \frac{1}{2^n} \cdot \frac{1}{n-1}$,$S_2 = \sum_{n=2}^\infty (-1)^n \frac{1}{2^n} \cdot \frac{1}{n+1}$,则原级数 $= \frac12(S_1 - S_2)$。 对 $S_1$:令 $k = n-1$,则 $n = k+1$,$k$ 从 $1$ 开始, $$ S_1 = \sum_{k=1}^\infty (-1)^{k+1} \frac{1}{2^{k+1}} \cdot \frac{1}{k} = -\frac12 \sum_{k=1}^\infty \frac{(-1)^k}{k} \left(\frac12\right)^k. $$ 对 $S_2$:令 $m = n+1$,则 $n = m-1$,$m$ 从 $3$ 开始, $$ S_2 = \sum_{m=3}^\infty (-1)^{m-1} \frac{1}{2^{m-1}} \cdot \frac{1}{m} = -2 \sum_{m=3}^\infty \frac{(-1)^m}{m} \left(\frac12\right)^m. $$
公式:S_1 = -\frac12 \sum_{k=1}^\infty \frac{(-1/2)^k}{k}, \quad S_2 = -2 \sum_{m=3}^\infty \frac{(-1/2)^m}{m}
提示:指标变换时注意上下限的变化以及符号的提取,避免遗漏负号。
步骤 3/5
目标:利用对数级数公式计算 $S_1$
已知对数级数展开:对 $|x|<1$,$\sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^n x^n}{n} = -\ln(1+x)$。 取 $x = \frac12$,得 $$ \sum_{k=1}^\infty \frac{(-1)^k (1/2)^k}{k} = -\ln\left(1+\frac12\right) = -\ln\frac32. $$ 因此 $$ S_1 = -\frac12 \cdot \left( -\ln\frac32 \right) = \frac12 \ln\frac32. $$
公式:\sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^n x^n}{n} = -\ln(1+x)
提示:注意 $(-1/2)^k = (-1)^k (1/2)^k$,直接代入公式即可,不要混淆符号。
步骤 4/5
目标:计算 $S_2$ 中的部分和
先求全体和:$\sum_{m=1}^\infty \frac{(-1)^m (1/2)^m}{m} = -\ln\frac32$。 前两项:$m=1$ 项为 $-\frac12$,$m=2$ 项为 $\frac18$,故前两项和为 $-\frac12 + \frac18 = -\frac38$。 因此从 $m=3$ 开始的和为 $$ \sum_{m=3}^\infty \frac{(-1)^m (1/2)^m}{m} = \left(-\ln\frac32\right) - \left(-\frac38\right) = -\ln\frac32 + \frac38. $$ 代入 $S_2$ 表达式: $$ S_2 = -2 \left( -\ln\frac32 + \frac38 \right) = 2\ln\frac32 - \frac34. $$
公式:\sum_{m=3}^\infty \frac{(-1)^m (1/2)^m}{m} = -\ln\frac32 + \frac38
提示:减去前两项时注意符号:全体和减去前两项和,前两项和本身是负数,要小心括号。
步骤 5/5
目标:合并 $S_1$ 和 $S_2$ 得到原级数的和
原级数 $= \frac12 (S_1 - S_2)$,代入得 $$ \begin{aligned} \text{原级数} &= \frac12\left[ \frac12 \ln\frac32 - \left(2\ln\frac32 - \frac34\right) \right] \\ &= \frac12\left( \frac12\ln\frac32 - 2\ln\frac32 + \frac34 \right) \\ &= \frac12\left( -\frac32 \ln\frac32 + \frac34 \right) \\ &= -\frac34 \ln\frac32 + \frac38. \end{aligned} $$ 因此级数和为 $\displaystyle \frac{3}{8} - \frac{3}{4}\ln\frac{3}{2}$。
公式:\sum_{n=2}^{\infty}(-1)^n \frac{1}{2^n(n^2-1)} = \frac{3}{8} - \frac{3}{4}\ln\frac{3}{2}
提示:最后合并时注意分数运算,$\frac12 \cdot \frac34 = \frac38$,不要算错。

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