🧠 背景:幂级数与收敛半径
一个幂级数(power series):
∑ n = 0 ∞ a n x n \sum_{n=0}^{\infty} a_n x^n n=0∑∞anxn
其收敛半径 R R R 表示该级数在哪些 x x x 的取值范围内收敛。其计算公式:
1 R = lim n → ∞ ∣ a n ∣ n \frac{1}{R} = \lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{|a_n|} R1=n→∞limn∣an∣
或者若极限存在,也可使用:
1 R = lim n → ∞ ∣ a n + 1 a n ∣ \frac{1}{R} = \lim_{n \to \infty} \left| \frac{a_{n+1}}{a_{n}} \right| R1=n→∞lim anan+1
🔍 分析奇次项和偶次项收敛半径
设:
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对于偶次项:令 y = x 2 y = x^2 y=x2,则:
∑ n = 0 ∞ a 2 n x 2 n = ∑ n = 0 ∞ a 2 n y n \sum_{n=0}^\infty a_{2n} x^{2n} = \sum_{n=0}^\infty a_{2n} y^n n=0∑∞a2nx2n=n=0∑∞a2nyn
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假设其收敛半径为 R y R_y Ry,则对 x x x 而言:
x 2 < R y ⇒ ∣ x ∣ < R y x^2 < R_y \Rightarrow |x| < \sqrt{R_y} x2<Ry⇒∣x∣<Ry
✅ 所以结论:
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如果原级数中偶次项组成的子级数对 y = x 2 y = x^2 y=x2 的收敛半径是 R y = 1 / p R_y = 1/p Ry=1/p,那么对 x x x 而言,收敛半径是:
R 偶 = 1 / p R_{\text{偶}} = \sqrt{1/p} R偶=1/p
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同理,奇次项若也类似处理,最终也会得出:
R 奇 = 1 / p R_{\text{奇}} = \sqrt{1/p} R奇=1/p
将偶次项提取出来形成一个以 x 2 x^2 x2 为自变量的新级数,其收敛半径是 1 / p 1/p 1/p,回代回来后 ∣ x ∣ < 1 / p |x| < \sqrt{1/p} ∣x∣<1/p。
✅ 最终结论总结:
子级数类型 | 变量替换 | 子级数收敛半径 R y R_y Ry | 对应原变量 x x x 的收敛半径 R x R_x Rx |
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偶次项 | y = x 2 y = x^2 y=x2 | 1 / p 1/p 1/p | 1 / p \sqrt{1/p} 1/p |
奇次项 | y = x 2 y = x^2 y=x2 | 1 / p 1/p 1/p | 1 / p \sqrt{1/p} 1/p |