馬曉東 李淑娟

摘 要：冪級(jí)數(shù)是數(shù)學(xué)分析當(dāng)中重要概念之一，在數(shù)學(xué)中，冪級(jí)數(shù)是一類(lèi)形式簡(jiǎn)單而應(yīng)用廣泛的函數(shù)級(jí)數(shù)，變量可以是一個(gè)或多個(gè).冪級(jí)數(shù)被作為基礎(chǔ)內(nèi)容應(yīng)用到了實(shí)變函數(shù)、 復(fù)變函數(shù)等眾多領(lǐng)域.本文就冪級(jí)數(shù)的收斂半徑 、收斂區(qū)間 、收斂域、 馬克勞林級(jí)數(shù)等內(nèi)容進(jìn)行淺析.

關(guān)鍵詞： 冪級(jí)數(shù) 斂散性 收斂半徑 收斂區(qū)間 收斂域 馬克勞林級(jí)數(shù)

中圖分類(lèi)號(hào)：O173 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-9795（2014）02（b）-0000-00

1冪級(jí)數(shù)的概念

1.1冪級(jí)數(shù)

形如 或 的級(jí)數(shù)稱(chēng)為冪級(jí)數(shù)，其中常數(shù) 叫做冪級(jí)數(shù)的系數(shù).

1.2收斂半徑與收斂區(qū)間[1]

如果冪級(jí)數(shù) 不是僅在x=0一點(diǎn)收斂，也不是在整個(gè)數(shù)軸上都收斂，則必有一個(gè)完全確定的正數(shù)R存在，它具有下列性質(zhì)：

當(dāng) 時(shí)，冪級(jí)數(shù) 絕對(duì)收斂；

當(dāng) 時(shí)，冪級(jí)數(shù) 發(fā)散；

當(dāng)x=R與X=-R時(shí)，冪級(jí)數(shù) 可能收斂也可能發(fā)散.

正數(shù)R通常叫做冪級(jí)數(shù) 的收斂半徑.由冪級(jí)數(shù)在 處的收斂性決定它在區(qū)間 、 或 上收斂，這區(qū)間叫做冪級(jí)數(shù) 的收斂域，而開(kāi)區(qū)間（-R，R）稱(chēng)為冪級(jí)數(shù)的收斂區(qū)間.

如果 僅在X=0收斂，就規(guī)定R=0，如果 對(duì)一切X都收斂，則規(guī)定R= .

1.3收斂半徑的求法

（1）對(duì)于不缺項(xiàng)的冪級(jí)數(shù)

定理 設(shè)冪級(jí)數(shù) 的系數(shù)有 則

①當(dāng)0< < 時(shí)，有R=

②當(dāng) =0時(shí)，定義R=

③當(dāng) 時(shí)，定義R=0

（2）對(duì)于缺項(xiàng)的冪級(jí)數(shù)，例如

令 ， ，考察 =

則當(dāng) <1時(shí)，級(jí)數(shù)收斂，此時(shí)可得知

①當(dāng) 時(shí)，R= .

②當(dāng) 時(shí)，R= .

③當(dāng) 時(shí)，定義R=0.

2 將初等函數(shù)展開(kāi)為冪級(jí)數(shù)

如果f（x）在點(diǎn) 的某鄰域內(nèi)具有各有階導(dǎo)數(shù) 、 、…， …，這時(shí)稱(chēng)冪級(jí)數(shù)

為函數(shù)f（x）在x= 處展開(kāi)的泰勒級(jí)數(shù).

特別地，取 得冪級(jí)數(shù)

稱(chēng)為函數(shù)的馬克勞林級(jí)數(shù)。

常用的馬克勞林級(jí)數(shù)有：

1.

2.Sinx=

3.Cosx=

4.Ln（1+x）=

5.

3間接展開(kāi)法

利用冪級(jí)數(shù)的基本性質(zhì)與幾個(gè)常用的標(biāo)準(zhǔn)展開(kāi)式，將初等函數(shù)展開(kāi)為冪級(jí)數(shù)的方法，稱(chēng)為間接展開(kāi)法.

4冪級(jí)數(shù)的基本性質(zhì)

（1）冪級(jí)數(shù) 的和函數(shù)S（x）在其收斂區(qū)間（-R，R）內(nèi)為連續(xù)函數(shù).

（2）冪級(jí)數(shù) 在其收斂區(qū)間（-R，R）內(nèi)可以逐項(xiàng)積分，即

=

且逐項(xiàng)積分后所得到的冪級(jí)數(shù)的收斂半徑也是R.

（3）冪級(jí)數(shù) 在其收斂區(qū)間（-R，R）內(nèi)可以逐項(xiàng)求導(dǎo)，即

（注意下標(biāo)的變化）

且逐項(xiàng)求導(dǎo)后所得的冪級(jí)數(shù)的收斂半徑仍為R.

說(shuō)明 如果逐項(xiàng)積分或逐項(xiàng)微分后的冪級(jí)數(shù)在x=R（或-R）處收斂，則性質(zhì)2，3在x=R（或-R）處仍成立.

（4）若 的收斂區(qū)間為（ ）， 的收斂區(qū)間為（ ），則

且的收斂區(qū)間為（-R，R），其中R=min

典型例題分析[2]

4.1選擇題

（1） 冪級(jí)數(shù) 的收斂區(qū)間為（ ）A.（-1，1）B. C. D.

分析： 因?yàn)?/p>

所以 且當(dāng)x= - 1時(shí)， 發(fā)散.

當(dāng)x=1時(shí)， 收斂，故收斂區(qū)間為 答：C

（2）設(shè)冪級(jí)數(shù) 在x=2處收斂，則該冪級(jí)數(shù)在x=-1處必定（ ）

A. 發(fā)散 B. 條件收斂 C. 絕對(duì)收斂 D. 斂散性不能確定

分析： 由于冪級(jí)數(shù) 在其收斂區(qū)間（-R，R）內(nèi)絕對(duì)收斂，在 時(shí)發(fā)散.可知，當(dāng)冪級(jí)數(shù) 在x=2處收斂時(shí)，必有 . 因此 在（-2，2）內(nèi)必定絕對(duì)收斂，由于x= - 1 （-2，2） ，因此可知 在x= -1處必定絕對(duì)收斂，故應(yīng)選C . 答：C

（3） 下列冪級(jí)數(shù)中，收斂半徑為R=1的是（ ）

A. B. C. D.

分析： A

B

C

D

可見(jiàn)B為正確答案 答： B

4.2填空題

（1） 冪級(jí)數(shù) 的收斂域?yàn)?/p>

分析： 當(dāng) ，即0

又當(dāng)x=0時(shí)， = 發(fā)散.

而當(dāng)x=2時(shí)， = 收斂.

故收斂域?yàn)?答：

（2） 關(guān)于的冪級(jí)數(shù)展開(kāi)式為 （-2

分析： = = （-2

答： （-2

4.3解答題

（1）求冪級(jí)數(shù) 的收斂半徑.

分析： ，于是 可知收斂半徑為 答：2.

（2）求 的收斂區(qū)間.

分析： 所給級(jí)數(shù)為不缺項(xiàng)情形， ，

=

因此， 所以?xún)缂?jí)數(shù)的收斂區(qū)間為（-3，3） 答：（-3，3）

（3）求 的收斂半徑、收斂區(qū)間和收斂域.

分析： 于是

可知收斂半徑為R= 即當(dāng) 即 時(shí)， 收斂.

當(dāng)x=0時(shí)， = 發(fā)散.

當(dāng)x=2時(shí)， 收斂.

故收斂區(qū)間為（0，2），收斂域?yàn)?答：1，（0，2），

（4） 把函數(shù) 展開(kāi)為x-2的冪級(jí)數(shù)，并求收斂區(qū)間.

分析： =

利用函數(shù) ，R=1，得到

，所以

（5） 求函數(shù) 的馬克勞林級(jí)數(shù)展開(kāi)式.

分析：已知

= ，

答：

（6） 將函數(shù) 展開(kāi)成 的冪級(jí)數(shù).

分析： =

=

利用公式（2）與（3）以 代入得

，

，

在 處的展開(kāi)式為

Sinx=

參考文獻(xiàn)

[1] 高霞.高等數(shù)學(xué)[M] .南開(kāi)大學(xué)出版社，2010.

[2] 葉正道.高等數(shù)學(xué)[M].中國(guó)社會(huì)出版社，2005.

作者簡(jiǎn)介：馬曉東（1964、5）女。漢。遼寧省鐵嶺市人。鐵嶺衛(wèi)生職業(yè)學(xué)院。公共基礎(chǔ)部主任。職稱(chēng)：副教授，理學(xué)學(xué)士，主要從事數(shù)學(xué)專(zhuān)業(yè)教學(xué)。李淑娟（1987、11）漢， 女，遼寧省北票市人，大連大學(xué)信息工程學(xué)院，應(yīng)用數(shù)學(xué)專(zhuān)業(yè)，研究生。