🦞 定积AI · 图说高数 · 第11章 无穷级数

幂级数求和:自递推式到微分方程

2020 考研数学一 · 第 17 题 | 一题七图 | 师生双视图同源
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题 干
设数列 $\{a_n\}$ 满足 $a_1=1$,且 $(n+1)a_{n+1}=\left(n+\tfrac12\right)a_n\ (n=1,2,\cdots)$。 证明:当 $|x|<1$ 时,幂级数 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}a_n x^n$ 收敛,并求其和函数 $S(x)$。
① 还原② 目标④ 过程⑤ 关键点⑥ 路径⑦ 雷区⑧ 变式
图一还原图先把「有什么」摆出来
已 知a₁ = 1(n+1)aₙ₊₁ = (n+½)aₙ即 aₙ₊₁ / aₙ = (n+½)/(n+1)缺口没有通项 aₙ所 求① |x| < 1 收敛② 求 S(x) = Σ aₙxⁿ(n = 1 → ∞)
题干只给相邻两项的递推关系,没给通项 $a_n$;所求是「收敛性 + 和函数」两件。
教师投图后只读题不讲解,点出两个"反常":不给 $a_n$、只给关系式;留 30 秒静默。
学生读图,用红笔标出已知($a_1=1$、递推式)与所求(收敛、$S(x)$);写下第一句猜想:没有通项怎么办?
图二目标图求的到底是哪条线
xyO(0,0)S(x) = 2/√(1−x) − 2细线:部分和 S₂, S₅, S₁₂
和函数 $S(x)=\dfrac{2}{\sqrt{1-x}}-2$(粗线)即本题答案;细线是部分和 $S_N(x)$($N=2,5,12$),随 $N$ 增大向粗线靠拢。
教师先不给答案,只说明"目标是那条粗线";把它留到图四动态验证后再揭示。
学生认清目标形状:一条在 $(-1,1)$ 上单调上升、过原点 $(0,0)$ 的曲线。
图四过程图拖 N 看部分和逼近
xy粗线:S(x) = 2/√(1−x) − 2细线:部分和 S_N(x)(拖动下方 N)
拖动 N = 2  (粗线 = 和函数 $S(x)$,细线 = 部分和 $S_N(x)$)
动态把"收敛"从结论变成看得见的过程:$N$ 越大,中段越贴合;端点 $x=\pm1$ 附近始终偏离,说明收敛只在 $(-1,1)$。
教师先快放一遍,再问:"为什么两端的偏差甩不掉?"引向收敛半径。
学生拖动 $N$,记录:$N$ 从 2 到 20,中段贴合速度如何变化?端点呢?
图五关键点图三个决定性的数
系数 aₙ 单调递减 → 0a₁=1比值 aₙ₊₁/aₙ → 1,故 R = 1极限 1三个关键数:R = 1(收敛半径) · a₁ = 1(首项,勿漏 −a₁) · S(0) = 0(定常数 C)
左:系数 $a_n$ 单调递减到 0;右:比值 $a_{n+1}/a_n=\dfrac{n+1/2}{n+1}\to 1$,故收敛半径 $R=1$;结合 $a_1=1$(首项)与 $S(0)=0$(定常数)三个关键数,缺一不可。
教师三连问:系数在变小吗?变快还是变慢?比值逼近几?点明 $\rho=1\Rightarrow R=1$。
学生把"比值逼近 1"翻译成 $\lim a_{n+1}/a_n=1$,写出 $R=1$。
图六路径图五步决策树(含枢纽)
①比值判敛aₙ₊₁/aₙ =(n+½)/(n+1) → 1⇒ R = 1②乘 xⁿ 求和构造 S(x)= Σ aₙxⁿ③架桥 ★递推式搬到 S(1−x)S′ − ½S = 1④解一阶线性S = 2/√(1−x)+ C⑤定常数用 S(0)=0⇒ C = −2枢纽(第③步 · 架桥):把题干的递推关系搬到和函数 S 上 —— 这是全题的咽喉。
五步中,第 ④ 步「架桥」是枢纽——把题干的递推关系搬到和函数 $S$ 上,得到微分方程 $(1-x)S'-\tfrac12 S=1$。
教师只点拨两处:① $\sum (n+1)a_{n+1}x^n=S'(x)-a_1$(少了首项);② $n\,x^n=x\cdot(n x^{n-1})$。
学生补全中间推导,产出本课最核心的一件东西:自己推出的微分方程。
图七雷区图错在哪一步(真实数据)
雷 1|忘首项 $\sum_{n\ge1}(n+1)a_{n+1}x^n$ 换元后应 $=S'(x)-a_1$,漏掉 $-a_1$ 会改写整个方程。
雷 2|混淆 $\rho$ 与 $R$ 比值 $\rho=\lim a_{n+1}/a_n=1$,则 $R=1/\rho=1$;$\rho=1$ 不等于"无法判断"。
雷 3|常数 $C$ 乱定 解微分方程得 $S=2/\sqrt{1-x}+C$,必须用 $S(0)=0$ 定出 $C=-2$。
各雷区真实错误率:数据接入后显示(来自题库作答聚合,脱敏;暂无则不显示,绝不编造)。
雷区图把"最容易错的地方"钉在图上的具体位置。
教师小结时只点"典型错误"不点名;若某雷区错误率 > 40%,下节课开头加 3 分钟快问快答。
图八变式图换个条件,图怎么变
变式条件改动结果如何变
★把 $x^n$ 换成 $x^{2n}$($R=1$ 不变,域仍 $(-1,1)$)和函数改为 $S(x^2)$ 形式,考察"代换"意识
★★把 $x$ 换成 $x/2$收敛半径 $R=2$;和函数 $2/\sqrt{1-x/2}-2$
★★★反向:已知 $S(x)$,反求 $a_n$$a_n=\dfrac{2\binom{2n}{n}}{4^{n}}$,体认"和函数 ⟺ 系数"
三档变式对应"同知识点、难度邻近"分层训练。
教师按图五自评率 + 变式批改结果自动分档;★★★ 可给"给图命题"挑战任务。