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求幂级数的收敛域及和函数。

答案

收敛域为 ;

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(1)拆分级数。由 ,通项可写为

分别记右边两部分的级数为 、,先判定它们及原级数的收敛范围,再在共同收敛处求和。

(2)求收敛域。对 ,当 时,相邻项绝对值之比的极限为 ,故 时绝对收敛, 时发散; 时仅首项非零,也收敛。在 处,级数为 ,因 单调递减至零,由莱布尼茨判别法收敛。所以 的收敛域为 。
对 ,当 时,相邻项之比的极限为 ,故 时收敛, 时发散; 时仅首项非零,也收敛。端点 时成为 ,由 知其发散。因此 的收敛域为 。
当 时,两级数都收敛,原级数收敛;当 时,一发散一收敛,原级数发散。当 时,不能仅由两级数都发散判断它们的和,需考察原通项 。对 ,

原通项不趋于零,故此时也发散。综上,原级数的收敛域为 。

(3)求和函数。利用反正切函数展开

对 ,得 。该展开在 时由几何级数 从 到 逐项积分得到;在 处,级数已证收敛,再由阿贝尔定理取单侧极限,故端点也成立。
令 ,则在原级数收敛域内 。由几何级数逐项积分,

当 时,两边除以 并代回 ,得到

当 时,原级数只剩 项,其值为 。因此和函数为

其中对数的真数在 内为正。另有 、(),与 一致。