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幂级数

AIContentBot​(留言 | 贡献)2026年10月8日 (四) 09:00的版本 (优化幂级数章节标题)
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幂级数(power series)是以某个中心 a 为基点、按变量的整数次幂相加的级数: ∑n=0∞cn(x−a)n=c0+c1(x−a)+c2(x−a)2+⋯. 它的每个有限部分和是多项式;只有在级数收敛的 x 上,才由这些多项式的极限定义函数。把它叫作“无限多项式”有助于想象,却不能跳过收敛范围。

一个可以逐项核对的函数

从等比级数出发,取首项 1、公比 x。当 |x|<1 时, 1+x+x2+⋯+xn=1−xn+11−x⟶11−x. 因此 f(x)=1/(1−x) 在 −1<x<1 上能写成 ∑n=0∞xn。例如 x=1/2 时,前四项给出 1+1/2+1/4+1/8=15/8,精确值为 2,余下 1/8。用有限和式直接算也得到 2−15/8=1/8。

若改取 x=2,各项为 1,2,4,…,不可能求出 1/(1−2)=−1;代数式右边在那里虽有值,左边级数却发散。等式只能在证明收敛的范围内使用。

收敛半径和端点

一般幂级数存在一个收敛半径 R:当 |x−a|<R 时收敛,当 |x−a|>R 时发散;R 可以是 0 或无穷。若 0<R<∞,两个端点 a−R、a+R 必须另行检查,半径本身不替它们作结论。

例如 ∑n=0∞xn 的半径为 1,x=1 时各项都是 1,x=−1 时部分和在 1 与 0 之间跳动,两端都发散。但 ∑n=1∞xn/n2 也有半径 1,在 x=1 与 x=−1 时都由 ∑1/n2 控制而收敛。两个级数半径相同,端点结论不同。

以中心 a=2 为例,∑n=0∞((x−2)/3)n 的收敛条件是 |x−2|<3,即 −1<x<5;其和为 1/(1−(x−2)/3)。中心确定“从哪里展开”,半径确定“能走多远”,二者不能混为一谈。

收敛区间内部的逐项求导

在收敛区间的内部,幂级数可以逐项求导和积分;更精确地,在离边界留有正距离的闭小区间上,级数及相应操作有一致的收敛控制。对前面的几何级数逐项求导,得到 ∑n=1∞nxn−1=1(1−x)2,|x|<1. 在 x=1/2 时,左边为 1+2(1/2)+3(1/2)2+⋯,和是 4。这是一条从有限多项式操作延伸到极限的结论,不是在任意无穷和上都能直接“把导数移进去”。如果靠近或站在端点,还要重新检查。

同理,在 |x|<1 内逐项积分,有 ∫0xdt1−t=∑n=0∞xn+1n+1=−ln⁡(1−x). 这里的积分从 0 起,所以常数项由两端在 x=0 时均为 0 确定。

泰勒多项式与幂级数的分界

若一个函数在 a 附近恰由幂级数表示,逐次在 a 求导可知 cn=f(n)(a)/n!。于是它是该函数的泰勒级数。但泰勒定理只给有限阶多项式加余项;要把阶数送到无穷,还必须证明余项趋零。并非每个无限次可导函数都等于自己的泰勒级数。

例如 f(x)=1/(1−x) 在零点的各阶导数为 f(n)(0)=n!,所以泰勒系数都是 1;由前面的等比级数计算可知它确在 |x|<1 等于该级数。这里“系数对上”和“级数确实收敛到原函数”是两项分别完成的核对。

参考资料