卢鹏博
发布于 2025-05-30 / 15 阅读
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一个经典的级数求和

求:

S=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n}{n+1}

分析:可以考虑泰勒展开,定积分定义或含参积分。

首先,注意到

S=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n}{n+1}=-\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^n}{n}=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n-1}}{n}

法一(泰勒)

注意到\ln(1+x)=\sum_{k=1}^{\infty}\frac{(-1)^{k-1}}{k}x^k\ (|x|<1),故代入x=1S=\boxed{\ln 2}

法二(调和级数)

\begin{align*} S&=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n-1}}{n} =\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^{2n}\frac{(-1)^{k-1}}{k} =\lim_{n\to\infty}\left(1-\frac{1}{2}+\frac{1}{3}-\frac{1}{4}+\cdots-\frac{1}{2n}\right)\\ &=\lim_{n\to\infty}\left[\left(1+\frac{1}{2}+\frac{1}{3}+\frac{1}{4}+\cdots+\frac{1}{2n}\right)-2\left(\frac{1}{2}+\frac{1}{4}+\cdots+\frac{1}{2n}\right)\right]\\ &=\lim_{n\to\infty}\sum_{k=n+1}^{2n}\frac{1}{k} =\lim_{n\to\infty}\sum_{k=1}^{n}\frac{1}{n+k} =\lim_{n\to\infty}\frac{1}{n}\sum_{k=1}^{n}\frac{1}{1+k/n}\\ &=\int_{0}^{1}\frac{1}{1+x}dx=\boxed{\ln 2} \end{align*}

法三(含参积分)

考虑函数:

S(x)=-\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-x)^n}{n}

S=S(1)

且由于S(x)收敛域为(-1,1],则在[0,1]上一致收敛。

-\sum_{n=1}^{\infty}{(-x)^n}[0,1)上一致收敛(在x=1不收敛,所以最后只能取极限)。

S'(x)=\sum_{n=0}^{\infty}{(-x)^n}=\frac{1}{1+x}\ (0\leq x<1)
S(x)=\int_{0}^{x}\frac{1}{1+t}dt=\ln(1+x)\ (0\leq x<1)

那么:

S(1)=\lim_{x\to 1^{-}}\ln(1+x)=\boxed{\ln 2}

综上,我们得到:

S=\sum_{n=0}^{\infty}\frac{(-1)^n}{n+1}=\boxed{\ln 2}


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