在同济七版高等数学下册第十二章第四节函数展开成幂级数中,有一个例题给出了 (1+x)m 展开为 x 的幂级数的形式
(1+x)m=1+mx+2!m(m−1)x2+⋯+n!m(m−1)⋯(m−n+1)xn+⋯(−1<x<1).题目最后还给出了当 m=21 时的特殊情形。
1+x=1+21x−2⋅41x2+2⋅4⋅61⋅3x3−2⋅4⋅6⋅81⋅3⋅5x4+⋯+(−1)n−12⋅4⋅6⋅⋯⋅(2n)1⋅3⋅5⋅⋯⋅(2n−3)xn+⋯(−1⩽x⩽1).但书上没有说明级数的收敛域是如何确定的。按照书上之前所讲的方法,容易确定收敛半径为 1。而在 x=±1 时,须另外判定。当 x=1 时,级数是交错级数,只需用莱布尼茨定理即可判断出收敛。关键是 x=−1 时如何判定,搜索一番资料后发现方法还挺多的,不过大多对数学要求较高,这里先给出一个比较容易理解的方法。
首先写出 x=−1 时的级数展开式
1−21−2⋅41−2⋅4⋅61⋅3−2⋅4⋅6⋅81⋅3⋅5−⋯−2⋅4⋅6⋅⋯⋅(2n)1⋅3⋅5⋅⋯⋅(2n−3)−⋯去掉第一项,再乘以 −1,就有了标题上的级数
n=2∑∞2nn!1⋅3⋅⋯⋅(2n−3).注意这个级数的 n 是从 2 开始的,所以下面的证明都有条件 n⩾2。
首先这里用到了不等式
(2n−3)2(n+1)3⩽n3(2n)2.这个不等式并不容易想到,不过还算容易验证,过程这里就不详述了。有了这个不等式,就能得到
2n2n−3⩽(n+1n)3/2,进而有
2nn!1⋅3⋅⋯⋅(2n−3)=21k=2∏n2k2k−3⩽21k=2∏n(k+1k)3/2=(n+1)3/22以最右侧式子为一般项的级数 n=2∑∞(n+1)3/22 显然是收敛的,再根据比较审敛法,即可得证 n=2∑∞2nn!1⋅3⋅⋯⋅(2n−3) 收敛.
至于这个方法,或者说那个不等式是如何想出来的,我只能为想到这个方法的大佬献上膝盖了。
其他证明方法有空再续,挖个坑。