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数分习题2

数分习题2

1.32

判断以下级数的敛散性.

(1)

题目为 .

当  时, . 因此 .

而  收敛, 所以原级数收敛. 

(2)

题目为 .

令 . 则

所以由比值判别法, 原级数收敛. 

(3)

题目为 .

令通项为 . 则 .

偶数项对应 , 奇数项对应 . 因此 .

所以原级数收敛. 

(4)

题目为 .

令通项为 . 则

所以原级数收敛. 

(5)

题目为 .

化简通项,

其中 , 且 . 因此 .

通项不趋于 , 所以原级数发散. 

(6)

题目为 .

令 . 则

所以对任意固定的 , 原级数都收敛. 

(7)

题目为 .

取  次根, 有 .

所以原级数收敛. 

(8)

题目为 .

取  次根,

所以原级数收敛. 


1.33

设  是正整数, 判断级数的敛散性.

(1)

题目为 .

令 . 则

若 , 则 , 通项不趋于 , 所以级数发散.

若 , 则 , 所以级数收敛.

若 , 则

所以  时发散,  时收敛. 

(2)

题目为 .

利用双阶乘恒等式和斯特林公式,

因此 .

所以原级数与  同敛散. 当  时收敛, 当  时发散. 

(3)

题面第 (3) 项未显示求和号. 由于本题要求判断级数的敛散性, 下文按

处理.

由上一问, , 且 .

因此 .

因为  收敛, 所以原级数收敛. 


1.34

设 , 判断如下级数的敛散性.

(1)

题目为 .

令通项为 . 则

于是 .

所以由拉贝判别法, 原级数收敛.

这里普通比值判别法只能得到 , 因而不能直接判断. 

(2)

题目为 .

利用伽马函数,

所以原级数与  同敛散.

因此  时收敛,  时发散. 

(3)

题目为 .

因为 , 所以

所以原级数与  同敛散.

因此  时收敛,  时发散. 


1.35

原题为: 设 , 令 . 证明: 级数  在  时收敛, 在  时发散.

这里原题按截图所给条件并不充分. 例如若 , 则结论可能失效. 为使结论成立, 下面补充条件 .

先设 .

取  满足 . 由上极限定义, 当  充分大时, 有 .

因为 , 所以充分大时 . 因而 , 即 .

于是 . 因为 , 所以  收敛.

由比较判别法,  收敛. 

下面设 .

若 , 因为 , 所以  不趋于 , 原级数发散.

下面只需考虑 . 取  满足 .

由上极限定义, 存在无穷多个 , 使 . 取这些指标构成子列 , 则 .

因为  单调递增, 对  有 . 因此

因为 , 所以 . 因而部分和无界, 原级数发散. 

临界情形  不能仅由题设判断.

例如取 , 则 , 且  发散.

再取 , 仍有 , 但  收敛.


1.36

设  和  均是正数列.

(1)

若存在 , 使得

证明级数  收敛.

两边乘以 , 得 .

从  到  求和,

因此 .

部分和有统一上界, 所以  收敛. 

(2)

若  发散, 且

证明级数  发散.

两边乘以 , 得 .

所以  单调不减, 从而 .

因此 .

因为  发散, 所以由比较判别法,  发散. 


1.37

试构造一例:  是递减趋于  的正数列, 但对任意的 , 级数  发散.

取 .

因为  严格递增且趋于无穷, 所以  是递减趋于  的正数列.

先考虑任意固定的 . 因为 , 所以当  充分大时, 有 .

于是 .

而  发散, 所以  发散.

若 , 则 , 级数显然发散.

若 , 因为 , 所以  不趋于 , 级数同样发散.

因此该数列满足要求. 


1.38

设 , 判断级数

的敛散性.

令 .

先考虑出现零因子的情况. 若存在正整数 , 使 , 则 .

因此从  开始都有 , 原级数只有有限个非零项, 所以收敛.

下面假设  不是  的正整数次幂.

记 . 当  时,

因此 .

对充分大的 , 这些因子为正. 于是 .

有限个初始因子只会改变一个非零常数, 不影响渐近阶. 因此

于是存在常数 , 使 .

若 , 则 . 因此  收敛, 原级数绝对收敛.

若  且 , 则 . 此时  最终符号固定, 且 , 所以原级数发散.

若 , 则所有因子都等于 , 所以 , 原级数发散.

若 , 则每个因子都满足 . 因此  不趋于 , 原级数发散.

所以原级数在  或  时收敛, 其余情形发散. 


1.39

设正数列  满足: 存在  以及正整数 , 使得当  时,

证明级数  收敛.

由题设, 当  时, 有 .

从  到  求和,

因此 .

于是 .

令 . 则对充分大的 , 有 .

因为 , 所以  收敛. 由比较判别法,  收敛. 

1.40

设级数  收敛. 若 , 能否断言  也是收敛级数?

不能.

取  时

由 Leibniz 判别法,  收敛. 同时

但是  发散, 因而

发散.

因此, 当  只是条件收敛时,  并不能保证  与  同敛散. 


1.41

设级数  收敛. 能否断言 ,  也收敛?

不能.

先考虑平方. 取 , 则  由 Leibniz 判别法收敛, 但

发散.

再考虑立方. 定义

每三个连续项之和为 , 即 . 同时每个小块内部的部分和最大只有 , 所以  收敛.

但是

所以  发散.

因此由  收敛, 既不能推出  收敛, 也不能推出  收敛. 


1.42

判断以下级数的敛散性.

(1)

数列  单调递减且趋于 , 所以由 Leibniz 判别法, 原级数收敛.

但是

发散.

因此原级数条件收敛. 

(2)

因为 , 所以

而  收敛, 所以原级数绝对收敛. 

(3)

因为 , 所以

而  收敛, 所以原级数绝对收敛. 

(4)

当  时, 有 , 且 . 因此

因为  收敛, 所以原级数绝对收敛. 


1.43

判断以下级数的敛散性, 以及绝对收敛性.

(1)

因为  单调递减并趋于 , 所以由 Leibniz 判别法, 原级数收敛.

但绝对值级数满足

所以原级数条件收敛. 

(2)

设 ,

因为  最终单调递减并趋于 , 所以由 Leibniz 判别法, 对任意 , 原级数都收敛.

又因为

所以绝对值级数与  同敛散.

因此  时绝对收敛,  时条件收敛. 

(3)

设 ,

先判断绝对收敛性. 因为

所以只有当  时绝对收敛.

下面判断普通收敛性.

当  时, 利用 ,

第一项的级数由 Leibniz 判别法收敛, 后两项在  时绝对可和, 因而原级数收敛.

当  时, 把相邻两项配对. 令

则

由于 , 所以  发散, 从而原级数发散.

因此  时绝对收敛,  时条件收敛,  时发散. 

(4)

利用 ,

第一项由 Leibniz 判别法收敛.

又有

两个余弦数列的部分和均有界, 所以第二项由 Dirichlet 判别法收敛. 因而原级数收敛.

另一方面,

第二项收敛, 第一项发散, 所以绝对值级数发散.

因此原级数条件收敛. 

(5)

将通项展开,

其中  收敛,  和  绝对收敛, 但  发散.

因此原级数发散. 同时通项绝对值与  同阶, 所以也不绝对收敛. 

(6)

设 ,

当  时, 利用 ,

第一项的级数收敛, 后两项在  时绝对可和, 所以原级数收敛.

当  时, 相邻两项配对后的主项为正的  型项, 因而发散.

另一方面,

所以绝对收敛当且仅当 .

因此  时绝对收敛,  时条件收敛,  时发散. 

(7)

将通项展开,

前两项对应的级数均由 Dirichlet 判别法收敛, 余项绝对收敛, 所以原级数收敛.

下面判断绝对收敛性. 当  足够大时,

而

第二项由 Dirichlet 判别法收敛, 第一项发散, 所以  发散.

因此原级数不绝对收敛, 即条件收敛. 

(8)

记 . 则 , 且  单调递减.

当  时,  的部分和有界, 所以由 Dirichlet 判别法,

收敛. 当  时各项均为 . 因此对任意 , 原级数都收敛.

下面判断绝对收敛性.

若 , 则 , 所以原级数绝对收敛.

若 , 利用 ,

而

第一项发散, 第二项由 Dirichlet 判别法收敛, 所以绝对值级数发散.

因此  时绝对收敛,  时条件收敛. 

(9)

先展开根式,

因此

主项为交错调和级数, 余项绝对可和, 所以原级数收敛.

同时

所以绝对值级数发散.

因此原级数条件收敛. 

(10)

题图中的原式为

注意这里没有 .

展开根式,

因此通项与  只相差一个趋于  的扰动.

但  不趋于 . 事实上, 若它趋于 , 则 . 又由

不可能同时有  和 .

所以原级数的通项不趋于 , 原级数发散. 

对, 应该把你手写的"若题目多一个 "作为同一小题后的补充讨论一起保留. 1.43(10) 换成下面这一段. Markdown 启用自动换行 复制

(10)

先展开根式,

记 . 则 .

若 , 则 . 又因为 , 所以

于是 , 与  矛盾.

因此  不趋于 , 原级数发散. 

如果题目改成

则情况不同.

由前面的展开,

因此

所以该级数可以写成

从而收敛.

另一方面,

所以绝对值级数发散.

因此, 若根号前多一个 , 则级数条件收敛. 

(11)

先展开

因此

所以原级数可以写成

从而收敛.

另一方面,

所以绝对值级数发散.

因此原级数条件收敛. 

(12)

因为

而  收敛, 所以原级数绝对收敛. 

(13)

若 , 则通项不趋于 , 所以级数发散.

下面设 . 有

因此

第一项在  时由 Leibniz 判别法收敛, 余项绝对可和, 所以原级数收敛.

又因为

所以绝对收敛当且仅当 .

因此  时绝对收敛,  时条件收敛,  时发散. 

(14)

由前面的结论,

若 , 通项不趋于 , 所以级数发散.

若 , 数列  单调递减并趋于 , 因而原级数由 Leibniz 判别法收敛.

绝对值通项满足

所以绝对收敛当且仅当 .

因此  时绝对收敛,  时条件收敛,  时发散. 

(15)

设 ,

利用

可得

若 , 即 , 则通项与一个非零常数乘  渐近等价, 所以级数发散.

若 , 则 , 一阶项消失, 从而通项为 .

因此此时级数绝对收敛.

所以原级数当且仅当  时收敛, 并且一旦收敛就是绝对收敛. 

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