在考研数学中,常数项级数题是考察考生对级数收敛性和求和技巧的典型题目。这类题目往往涉及级数的收敛性判别、求和公式以及级数展开等知识点。以下是一个原创的常数项级数题解答:
题目:已知级数 \(\sum_{n=1}^{\infty} \frac{2^n}{3^n(n+1)}\),判断其收敛性,并求出其和。
解答:
首先,我们观察级数的通项 \(a_n = \frac{2^n}{3^n(n+1)}\),可以化简为 \(a_n = \frac{1}{3^n}\frac{2^n}{n+1}\)。
接下来,我们使用比值判别法来判断级数的收敛性。计算 \(\lim_{n \to \infty} \frac{a_{n+1}}{a_n}\):
\[
\lim_{n \to \infty} \frac{a_{n+1}}{a_n} = \lim_{n \to \infty} \frac{\frac{1}{3^{n+1}}\frac{2^{n+1}}{n+2}}{\frac{1}{3^n}\frac{2^n}{n+1}} = \lim_{n \to \infty} \frac{2}{3} \cdot \frac{n+1}{n+2} = \frac{2}{3} < 1
\]
由于比值小于1,根据比值判别法,原级数收敛。
接下来,我们求级数的和。由于级数收敛,我们可以尝试使用级数展开的方法。观察到 \(\frac{2^n}{3^n}\) 可以看作是 \((\frac{2}{3})^n\) 的形式,而 \(\frac{1}{n+1}\) 是调和级数的一部分,我们可以尝试将其与几何级数相乘。
我们知道,几何级数 \(\sum_{n=1}^{\infty} x^n\) 的和为 \(\frac{1}{1-x}\)(当 \(|x| < 1\) 时)。因此,我们可以将 \(\frac{2^n}{3^n}\) 视为 \((\frac{2}{3})^n\),然后乘以调和级数的一部分,得到:
\[
\sum_{n=1}^{\infty} \frac{2^n}{3^n(n+1)} = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{3^n} \cdot \frac{1}{n+1} = \frac{1}{1-\frac{2}{3}} \cdot \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n+1} = 3 \cdot (\ln 2 - 1)
\]
因此,级数的和为 \(3(\ln 2 - 1)\)。
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