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第56题
求级数 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{3n-1}{3^n}$ 的和。
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答案
$\dfrac{7}{4}$
级数求和
等比级数
幂级数逐项积分与求导
📋 解题步骤
1
拆分级数
▼
将原级数拆分为两部分:$\sum_{n=1}^{\infty}\frac{3n-1}{3^n}=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{3n}{3^n}-\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{3^n}=S_1-S_2$。
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2
计算 $S_2$
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$S_2=\sum_{n=1}^{\infty}\left(\frac{1}{3}\right)^n$。利用等比级数和公式 $\sum_{n=1}^{\infty}x^n=\frac{x}{1-x}$,令 $x=\frac{1}{3}$,得 $S_2=\frac{1/3}{1-1/3}=\frac{1}{2}$。
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3
计算 $S_1$
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$S_1=\sum_{n=1}^{\infty}\frac{n}{3^{n-1}}$。设 $S_1(x)=\sum_{n=1}^{\infty}nx^{n-1}$,逐项积分得 $\int_0^xS_1(x)\,\mathrm{d}x=\sum_{n=1}^{\infty}x^n=\frac{x}{1-x}$。
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4
求导得 $S_1(x)$
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对上式求导得 $S_1(x)=\left(\frac{x}{1-x}\right)'=\frac{1}{(1-x)^2}$。令 $x=\frac{1}{3}$,得 $S_1=\frac{1}{(1-1/3)^2}=\frac{9}{4}$。
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5
求原级数之和
▼
原级数 $=S_1-S_2=\frac{9}{4}-\frac{1}{2}=\frac{7}{4}$。
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