🧠 背景:冪級數與收斂半徑
一個冪級數(power series):
∑ n = 0 ∞ a n x n \sum_{n=0}^{\infty} a_n x^n n=0∑∞?an?xn
其收斂半徑 R R R 表示該級數在哪些 x x x 的取值范圍內收斂。其計算公式:
1 R = lim ? n → ∞ ∣ a n ∣ n \frac{1}{R} = \lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{|a_n|} R1?=n→∞lim?n∣an?∣?
或者若極限存在,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? ?an?an+1?? ?
🔍 分析奇次項和偶次項收斂半徑
設:
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對于偶次項:令 y = x 2 y = x^2 y=x2,則:
∑ 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∑∞?a2n?x2n=n=0∑∞?a2n?yn
-
假設其收斂半徑為 R y R_y Ry?,則對 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??
? 所以結論:
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如果原級數中偶次項組成的子級數對 y = x 2 y = x^2 y=x2 的收斂半徑是 R y = 1 / p R_y = 1/p Ry?=1/p,那么對 x x x 而言,收斂半徑是:
R 偶 = 1 / p R_{\text{偶}} = \sqrt{1/p} R偶?=1/p?
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同理,奇次項若也類似處理,最終也會得出:
R 奇 = 1 / p R_{\text{奇}} = \sqrt{1/p} R奇?=1/p?
將偶次項提取出來形成一個以 x 2 x^2 x2 為自變量的新級數,其收斂半徑是 1 / p 1/p 1/p,回代回來后 ∣ x ∣ < 1 / p |x| < \sqrt{1/p} ∣x∣<1/p?。
? 最終結論總結:
子級數類型 | 變量替換 | 子級數收斂半徑 R y R_y Ry? | 對應原變量 x x x 的收斂半徑 R x R_x Rx? |
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偶次項 | y = x 2 y = x^2 y=x2 | 1 / p 1/p 1/p | 1 / p \sqrt{1/p} 1/p? |
奇次項 | y = x 2 y = x^2 y=x2 | 1 / p 1/p 1/p | 1 / p \sqrt{1/p} 1/p? |