kaoyan3basic 高等数学 第656题

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📝 题目

### 第656题 656 已知幂级数 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1} \frac{(x-a)^{n}}{n}$ 在 $x>0$ 处发散,在 $x=0$ 处收敛,则常数 $a$ 等于 (A) 0 . (B)-1 . (C) 1 . (D) 2 .

💡 答案解析

**答案**:C **解析**:步骤1:幂级数$\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1} \frac{(x-a)^n}{n}$的收敛半径为$1$,收敛区间为$(a-1, a+1)$。 步骤2:在$x=0$处收敛,故$0\in[a-1, a+1)$或$(a-1, a+1]$,即$|a|<1$或$a=\pm1$时需判断端点。 步骤3:在$x>0$处发散,即存在$x>0$使得级数发散,说明$a+1>0$且$x=a+1$处发散(因为$x>0$且发散,可能为右端点)。由$\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1} \frac{1}{n}$条件收敛,故右端点$x=a+1$处级数为$\displaystyle \sum(-1)^{n-1}\frac{1}{n}$收敛,矛盾;左端点$x=a-1$处级数为$\displaystyle \sum(-1)^{n-1}\frac{(-1)^n}{n} = -\sum\frac{1}{n}$发散。故发散点在左端点,即$x=a-1$,且$a-1>0$,得$a>1$。结合$x=0$收敛得$a-1<01$矛盾。重新分析:在$x>0$处发散,说明区间$(a-1,a+1)$与$(0,+\infty)$的交集中有发散点,可能为端点。若$a+1>0$且$a-1<0$,则区间包含$x=0$,且右端点$x=a+1$处级数收敛(条件收敛),左端点$x=a-1$处发散,但左端点小于0,故$x>0$内无发散点,矛盾。故$a+1$应为发散点,但右端点级数收敛,故只能$a+1$不在收敛域内,即$a+1$为发散点,但右端点级数收敛,故$a+1$不能是端点,即收敛域为$(a-1, a+1]$或$[a-1, a+1)$,且$a+1$为收敛点,则$a+1$处收敛,故$x>0$内发散点只能是区间内某点,但幂级数在收敛区间内内闭一致收敛,故发散点只能是端点。因此,$a+1$应为发散点,但由$\displaystyle \sum(-1)^{n-1}\frac{1}{n}$收敛,故$a+1$处级数为$\displaystyle \sum(-1)^{n-1}\frac{1}{n}$收敛,矛盾。故需重新审视:原级数在$x=0$收敛,即$\displaystyle \sum(-1)^{n-1}\frac{(-a)^n}{n}$收敛,故$|-a|\le1$且端点处需判断。若$a=1$,则$x=0$处级数为$\displaystyle \sum(-1)^{n-1}\frac{(-1)^n}{n}=-\sum\frac{1}{n}$发散,故$a\neq1$。若$a=-1$,则$x=0$处级数为$\displaystyle \sum(-1)^{n-1}\frac{1}{n}$收敛。此时收敛区间为$(-2,0)$,在$x>0$处发散(因为整个区间在负半轴),满足条件。故$a=-1$。但选项中有-1,选B。 **难度**:★★★☆☆

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:确定幂级数的收敛半径和收敛区间
幂级数 ∑_{n=1}^{∞} (-1)^{n-1} (x-a)^n / n 的收敛半径为 R = 1,收敛区间为 (a-1, a+1)。需要进一步判断端点处的收敛性。
公式:R = lim_{n→∞} |a_n / a_{n+1}| = 1
提示:对于形如 ∑ (x-a)^n / n 的幂级数,收敛半径通常为1。
步骤 2/4
目标:利用 x=0 处收敛的条件
x=0 处收敛,即 ∑ (-1)^{n-1} (-a)^n / n 收敛。由交错级数判别法,当 |a| ≤ 1 时可能收敛,但需检查端点。当 a=1 时,级数为 -∑ 1/n 发散;当 a=-1 时,级数为 ∑ (-1)^{n-1} / n 条件收敛。因此 a 可能为 -1 或满足 |a| < 1。
公式:∑ (-1)^{n-1} (-a)^n / n 收敛
提示:注意 a=1 时级数发散,排除选项 C。
步骤 3/4
目标:利用 x>0 处发散的条件
存在 x>0 使得级数发散。由于幂级数在收敛区间内内闭一致收敛,发散点只能是端点。考虑右端点 x = a+1,级数为 ∑ (-1)^{n-1} / n 条件收敛,故右端点收敛。左端点 x = a-1,级数为 ∑ (-1)^{n-1} (-1)^n / n = -∑ 1/n 发散。因此发散点为左端点,且需 a-1 > 0 即 a > 1,但此时 x=0 不在收敛区间内,与 x=0 收敛矛盾。故右端点应为发散点,但右端点级数收敛,因此只能收敛区间为 (a-1, a+1] 且 a+1 为收敛点,但 x>0 内无发散点,矛盾。重新分析:若 a=-1,收敛区间为 (-2,0),在 x>0 处发散,且 x=0 处收敛,满足条件。
公式:左端点 x=a-1 处级数发散
提示:注意端点收敛性:∑ 1/n 发散,∑ (-1)^{n-1}/n 条件收敛。
步骤 4/4
目标:综合条件得出 a 的值
由 x=0 收敛得 a=-1 或 |a|<1;由 x>0 发散得 a=-1 时收敛区间为 (-2,0),在 x>0 处发散,满足条件。若 |a|<1,则收敛区间包含 x=0,且左端点 a-1<0,右端点 a+1>0,但右端点收敛,左端点发散且小于0,故 x>0 内无发散点,不满足条件。因此 a=-1。
提示:验证 a=-1 时,x=0 处级数收敛,x>0 处级数发散。

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