方企勤 第四章 级 数 第4题

教材习题

📝 题目

例 4 求级数 $\mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }\frac{{\left( -1\right) }^{n - 1}}{\left( {{2n} - 1}\right) \left( {{2n} + 1}\right) }$ 的和.

💡 答案解析

解法 1 令 $f\left( x\right) = \mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }\frac{{\left( -1\right) }^{n - 1}}{\left( {{2n} - 1}\right) \left( {{2n} + 1}\right) }{x}^{{2n} + 1}$ ,容易求出此幂级数的收敛半径 $R = 1$ ,且 $f\left( 0\right) = 0$ . 由逐项积分定理得

$$ {f}^{\prime }\left( x\right) = \mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }\frac{{\left( -1\right) }^{n - 1}}{{2n} - 1}{x}^{2n}\;\left( {\left| x\right| < 1}\right) . \tag{3.1} $$

令 $g\left( x\right) \overset{\text{ 定义 }}{ = }{f}^{\prime }\left( x\right) /x\left( {x \neq 0}\right) ,g\left( 0\right) = 0$ ,则由 (3.1) 式得

$$ {g}^{\prime }\left( x\right) = {\left( \frac{{f}^{\prime }\left( x\right) }{x}\right) }^{\prime } = \mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }{\left( -1\right) }^{n - 1}{x}^{{2n} - 2} $$

$$ = \frac{1}{1 + {x}^{2}}\;\left( {\left| x\right| < 1}\right) , $$

从而 $g\left( x\right) = {\int }_{0}^{x}{g}^{\prime }\left( t\right) \mathrm{d}t = {\int }_{0}^{x}\frac{\mathrm{d}t}{1 + {t}^{2}} = \arctan x\;\left( {\left| x\right| < 1}\right)$ ,

即得 ${f}^{\prime }\left( x\right) = x\arctan x$ ,于是

$$ f\left( x\right) = {\int }_{0}^{x}{f}^{\prime }\left( t\right) \mathrm{d}t = {\int }_{0}^{x}t \cdot {\tan }^{-1}t\mathrm{\;d}t $$

$$ = \frac{{x}^{2}}{2}\arctan x - \frac{x}{2} + \frac{1}{2}\arctan x\;\left( {\left| x\right| < 1}\right) . $$

容易证明 $\mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }\frac{{\left( -1\right) }^{n - 1}}{\left( {{2n} - 1}\right) \left( {{2n} + 1}\right) }{x}^{n}$ 在 $x = 1$ 收敛,再根据阿贝尔引理得

$$ \mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }\frac{{\left( -1\right) }^{n - 1}}{4{n}^{2} - 1} = \mathop{\lim }\limits_{{x \rightarrow 1}}f\left( x\right) = \frac{1}{2}\arctan 1 - \frac{1}{2} + \frac{1}{2}\arctan 1 = \frac{\pi - 2}{4}. $$

解法 2 先对原级数进行如下分解:

$$ \mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }\frac{{\left( -1\right) }^{n - 1}}{4{n}^{2} - 1} = \frac{1}{2}\mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }{\left( -1\right) }^{n - 1}\left\lbrack {\frac{1}{{2n} - 1} - \frac{1}{{2n} + 1}}\right\rbrack $$

$$ = \frac{1}{2}\mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }\frac{{\left( -1\right) }^{n - 1}}{{2n} - 1} - \frac{1}{2}\mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }\frac{{\left( -1\right) }^{n - 1}}{{2n} + 1} $$

$$ = \frac{1}{2}\mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }\frac{{\left( -1\right) }^{n - 1}}{{2n} - 1} + \frac{1}{2}\mathop{\sum }\limits_{{k = 0}}^{\infty }\frac{{\left( -1\right) }^{k - 1}}{{2k} - 1}. \tag{3.2} $$

又由逐项积分定理,对 $\forall x \in \left( {-1,1}\right)$ ,有

$$ \arctan x = {\int }_{0}^{x}\frac{\mathrm{d}t}{1 + {t}^{2}} = {\int }_{0}^{x}\mathop{\sum }\limits_{{k = 1}}^{\infty }{\left( -1\right) }^{k - 1}{t}^{{2k} - 2}\mathrm{\;d}t $$

$$ = \mathop{\sum }\limits_{{k = 1}}^{\infty }{\left( -1\right) }^{k - 1}\frac{{x}^{{2k} - 1}}{{2k} - 1}. $$

再由阿贝尔引理得

$$ \mathop{\sum }\limits_{{k = 1}}^{\infty }\frac{{\left( -1\right) }^{k - 1}}{{2k} - 1} = \mathop{\lim }\limits_{{x \rightarrow 1}}\arctan x = \frac{\pi }{4}. \tag{3.3} $$

联合 (3.2),(3.3) 式得

$$ \mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }\frac{{\left( -1\right) }^{n - 1}}{4{n}^{2} - 1} = \frac{1}{2} \cdot \frac{\pi }{4} + \frac{1}{2}\left\lbrack {\frac{\pi }{4} - 1}\right\rbrack = \frac{\pi - 2}{4}. $$

📋 详细解题步骤

步骤 1/6
目标:构造幂级数并求收敛半径
令 f(x) = ∑_{n=1}^∞ (-1)^{n-1}/((2n-1)(2n+1)) x^{2n+1},易得收敛半径 R=1,且 f(0)=0。
公式:f(x) = ∑_{n=1}^∞ (-1)^{n-1}/((2n-1)(2n+1)) x^{2n+1}
提示:注意幂级数的形式,x的指数与分母匹配。
步骤 2/6
目标:逐项求导得到f'(x)
由逐项积分定理,对|x|<1,有 f'(x) = ∑_{n=1}^∞ (-1)^{n-1}/(2n-1) x^{2n}。
公式:f'(x) = ∑_{n=1}^∞ (-1)^{n-1}/(2n-1) x^{2n}
提示:逐项求导后分母指数减少。
步骤 3/6
目标:引入g(x)并求导
令 g(x)=f'(x)/x (x≠0),g(0)=0,则 g'(x) = ∑_{n=1}^∞ (-1)^{n-1} x^{2n-2} = 1/(1+x^2)。
公式:g'(x) = 1/(1+x^2)
提示:注意求和从n=1开始,x^{2n-2}可写成几何级数。
步骤 4/6
目标:积分求g(x)和f'(x)
积分得 g(x)=∫_0^x dt/(1+t^2)=arctan x,故 f'(x)=x arctan x。
公式:f'(x)=x arctan x
提示:利用g(0)=0确定积分常数。
步骤 5/6
目标:积分求f(x)
f(x)=∫_0^x t arctan t dt = (x^2/2) arctan x - x/2 + (1/2) arctan x。
公式:f(x)= (x^2/2) arctan x - x/2 + (1/2) arctan x
提示:分部积分法。
步骤 6/6
目标:利用阿贝尔引理求级数和
原级数在x=1收敛,由阿贝尔引理,∑_{n=1}^∞ (-1)^{n-1}/(4n^2-1) = lim_{x→1} f(x) = (π-2)/4。
公式:∑_{n=1}^∞ (-1)^{n-1}/(4n^2-1) = (π-2)/4
提示:注意f(1)的计算:arctan1=π/4。

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