问题

如何判断下面这个级数的敛散性?

回答
要判断一个级数的敛散性,就像给一个长长的队伍排序,看看它最终能汇聚成一个固定的点,还是会无穷无尽地散开去。这个“排序”的过程,我们叫做“求和”,而“汇聚成一个固定的点”就是“收敛”,反之则是“发散”。

我们手里有这样一个级数:

$sum_{n=1}^{infty} a_n$

这里的 $a_n$ 就是级数里的每一项。要判断这个级数是收敛还是发散,就像侦探破案一样,有很多不同的方法和线索(判别法)。选择哪种方法,往往取决于 $a_n$ 的具体“长相”。

第一步:审视级数本身 (The Visual Inspection)

在动用复杂的数学工具之前,咱们先瞟一眼这个级数,看看它有没有什么明显的特征。

1. 通项 $a_n$ 的极限: 这是最基本也是最重要的一个检查。如果级数的通项 $a_n$ 不趋向于零(也就是说 $lim_{n o infty} a_n eq 0$ 或者极限不存在),那么这个级数 一定发散。想象一下,如果你队伍里的每个人都在越来越高(或者高度不稳定),那么整个队伍肯定无法收拢。

例子: $sum_{n=1}^{infty} frac{n}{n+1}$。这里的 $a_n = frac{n}{n+1}$。当 $n$ 趋向无穷时,$frac{n}{n+1} = frac{1}{1 + 1/n}$ 趋向于 1。因为 $1 eq 0$,所以这个级数发散。

2. 级数的形式: 级数是 $sum c cdot b_n$ 吗?(c是常数) 还是 $sum (b_n + c_n)$? 这些都可能影响我们选择的判别法。

第二步:运用判别法 (Employing the Tests)

如果通项 $a_n$ 趋向于零,这只能说明级数 有可能收敛,但不能保证。这时候,我们就需要更精密的“工具”来帮忙了。下面介绍几种常用的判别法:

1. 直观比较法 (The Direct Comparison Test)

这个方法就像通过比较两个已知情况来推断未知情况。如果我们的级数 $a_n$ 的每一项都小于或等于一个已知收敛级数 $b_n$ 的对应项(即 $0 le a_n le b_n$ 对所有 $n$ 成立),那么我们的级数 $a_n$ 也 一定收敛。反之,如果我们的级数 $a_n$ 的每一项都大于或等于一个已知发散级数 $c_n$ 的对应项(即 $0 le c_n le a_n$ 对所有 $n$ 成立),那么我们的级数 $a_n$ 也 一定发散。

关键在于找到一个合适的“参照物”(已知的收敛或发散级数)。常见的参照物有:

几何级数: $sum_{n=1}^{infty} r^n$。 当 $|r| < 1$ 时收敛,当 $|r| ge 1$ 时发散。
p级数: $sum_{n=1}^{infty} frac{1}{n^p}$。当 $p > 1$ 时收敛,当 $p le 1$ 时发散。

例子: 判断 $sum_{n=1}^{infty} frac{1}{n^2 + 1}$ 的敛散性。
我们知道 $sum_{n=1}^{infty} frac{1}{n^2}$ 是一个 p级数,其中 $p=2 > 1$,所以它收敛。
观察级数的通项:$a_n = frac{1}{n^2 + 1}$。对于所有的 $n ge 1$,我们都有 $n^2 + 1 > n^2$,所以 $frac{1}{n^2 + 1} < frac{1}{n^2}$。
因此,根据直观比较法,由于 $frac{1}{n^2 + 1} < frac{1}{n^2}$ 且 $sum frac{1}{n^2}$ 收敛,所以 $sum frac{1}{n^2 + 1}$ 也 收敛。

2. 极限比较法 (The Limit Comparison Test)

这个方法比直观比较法更灵活一些,因为它不要求级数项之间的大小关系总是成立,而是看它们的 比值的极限。如果我们有两个级数 $sum a_n$ 和 $sum b_n$,并且它们的通项都大于零,如果 $lim_{n o infty} frac{a_n}{b_n} = L$,其中 $L$ 是一个 有限的、大于零的常数 ($0 < L < infty$),那么这两个级数具有相同的敛散性。也就是说,如果 $sum b_n$ 收敛,则 $sum a_n$ 收敛;如果 $sum b_n$ 发散,则 $sum a_n$ 发散。

例子: 判断 $sum_{n=1}^{infty} frac{2n+1}{n^2+n+1}$ 的敛散性。
这个级数的通项 $a_n = frac{2n+1}{n^2+n+1}$ 当 $n$ 很大时,趋向于 $frac{2n}{n^2} = frac{2}{n}$。
我们选择一个参照级数 $sum b_n = sum frac{1}{n}$。这是一个调和级数(p级数,p=1),已知它 发散。
现在我们计算极限:
$lim_{n o infty} frac{a_n}{b_n} = lim_{n o infty} frac{frac{2n+1}{n^2+n+1}}{frac{1}{n}} = lim_{n o infty} frac{2n+1}{n^2+n+1} cdot n = lim_{n o infty} frac{2n^2+n}{n^2+n+1}$
为了计算这个极限,我们可以分子分母同除以 $n^2$:
$lim_{n o infty} frac{2 + 1/n}{1 + 1/n + 1/n^2} = frac{2+0}{1+0+0} = 2$
因为极限值 $L=2$ 是一个有限的正数 ($0 < 2 < infty$),而参照级数 $sum frac{1}{n}$ 是发散的,所以根据极限比较法,原级数 $sum frac{2n+1}{n^2+n+1}$ 也 发散。

3. 比值判别法 (The Ratio Test)

这个方法就像观察级数项的“增长速度”。对于一个各项 $a_n$ 都大于零的级数,我们计算相邻两项的比值的绝对值的极限:

$L = lim_{n o infty} left| frac{a_{n+1}}{a_n} ight|$

如果 $L < 1$,则级数 绝对收敛(也意味着收敛)。
如果 $L > 1$ 或 $L = infty$,则级数 发散。
如果 $L = 1$,则该判别法 失效,需要换用其他方法。

例子: 判断 $sum_{n=1}^{infty} frac{2^n}{n!}$ 的敛散性。
$a_n = frac{2^n}{n!}$
$a_{n+1} = frac{2^{n+1}}{(n+1)!}$
计算极限:
$L = lim_{n o infty} left| frac{frac{2^{n+1}}{(n+1)!}}{frac{2^n}{n!}} ight| = lim_{n o infty} left| frac{2^{n+1}}{(n+1)!} cdot frac{n!}{2^n} ight|$
$L = lim_{n o infty} left| frac{2 cdot 2^n}{(n+1) cdot n!} cdot frac{n!}{2^n} ight| = lim_{n o infty} left| frac{2}{n+1} ight|$
当 $n o infty$ 时,$frac{2}{n+1} o 0$。
所以 $L = 0$。因为 $0 < 1$,所以级数 绝对收敛。

4. 根值判别法 (The Root Test)

这个方法与比值判别法类似,也是考察增长速度,但它是看级数项的“n次方根的极限”。对于各项 $a_n$ 的级数,我们计算通项绝对值的n次方根的极限:

$L = lim_{n o infty} sqrt[n]{left| a_n ight|}$

如果 $L < 1$,则级数 绝对收敛。
如果 $L > 1$ 或 $L = infty$,则级数 发散。
如果 $L = 1$,则该判别法 失效。

例子: 判断 $sum_{n=1}^{infty} left(frac{1}{n+1} ight)^n$ 的敛散性。
$a_n = left(frac{1}{n+1} ight)^n$
计算极限:
$L = lim_{n o infty} sqrt[n]{left| left(frac{1}{n+1} ight)^n ight|} = lim_{n o infty} sqrt[n]{left(frac{1}{n+1} ight)^n} = lim_{n o infty} frac{1}{n+1}$
当 $n o infty$ 时,$frac{1}{n+1} o 0$。
所以 $L = 0$。因为 $0 < 1$,所以级数 绝对收敛。

5. 积分判别法 (The Integral Test)

这个方法是联系级数和积分的桥梁。如果有一个函数 $f(x)$,满足:
1. $f(x)$ 在 $[1, infty)$ 上 连续。
2. $f(x)$ 在 $[1, infty)$ 上 单调递减。
3. $f(x) > 0$ 在 $[1, infty)$ 上。

那么,级数 $sum_{n=1}^{infty} a_n$ 收敛当且仅当 反常积分 $int_{1}^{infty} f(x) dx$ 收敛。其中,$a_n = f(n)$。

例子: 判断 $sum_{n=2}^{infty} frac{1}{n ln n}$ 的敛散性。
我们定义函数 $f(x) = frac{1}{x ln x}$。
对于 $x ge 2$:
1. $f(x)$ 是连续的。
2. 我们可以求导数 $f'(x) = frac{ln x + 1}{(x ln x)^2}$,当 $x ge 2$ 时,$f'(x) < 0$,所以 $f(x)$ 单调递减。
3. $f(x) > 0$。
现在我们计算反常积分:
$int_{2}^{infty} frac{1}{x ln x} dx$
这是一个反常积分,我们可以用换元法来计算。令 $u = ln x$,则 $du = frac{1}{x} dx$。当 $x=2$ 时,$u = ln 2$;当 $x o infty$ 时,$u o infty$。
积分变为:
$int_{ln 2}^{infty} frac{1}{u} du = [ln|u|]_{ln 2}^{infty} = lim_{b o infty} (ln b) ln(ln 2)$
因为 $lim_{b o infty} ln b = infty$,所以这个积分 发散。
根据积分判别法,级数 $sum_{n=2}^{infty} frac{1}{n ln n}$ 也 发散。

6. 交错级数判别法 (The Alternating Series Test)

这种方法专门用于判断形如 $sum_{n=1}^{infty} (1)^{n1} b_n$ 或 $sum_{n=1}^{infty} (1)^n b_n$ 的交错级数。如果满足以下两个条件:
1. $b_n > 0$。
2. $b_n$ 单调递减(即 $b_{n+1} le b_n$ 对所有 $n$ 成立)。
3. $lim_{n o infty} b_n = 0$。

那么,这个交错级数 收敛。

例子: 判断 $sum_{n=1}^{infty} (1)^{n1} frac{1}{n}$ 的敛散性。
这是一个莱布尼茨级数(调和交错级数)。
令 $b_n = frac{1}{n}$。
1. $b_n = frac{1}{n} > 0$ 对于 $n ge 1$。
2. $b_{n+1} = frac{1}{n+1} le frac{1}{n} = b_n$,所以 $b_n$ 单调递减。
3. $lim_{n o infty} b_n = lim_{n o infty} frac{1}{n} = 0$。
所有条件都满足,所以级数 $sum_{n=1}^{infty} (1)^{n1} frac{1}{n}$ 收敛。

7. 条件收敛与绝对收敛 (Conditional vs. Absolute Convergence)

有时候,一个级数 $sum a_n$ 可能不收敛,但它对应的 绝对值级数 $sum |a_n|$ 却收敛。这种情况下,原级数称为 条件收敛。如果 $sum a_n$ 和 $sum |a_n|$ 都收敛,则原级数称为 绝对收敛。

绝对收敛是比收敛更强的性质,因为如果一个级数绝对收敛,那么它本身也一定收敛。
比值判别法和根值判别法判断的是绝对收敛性。
交错级数判别法判断的是收敛性,但可能不是绝对收敛。例如 $sum (1)^{n1} frac{1}{n}$ 是条件收敛的,因为 $sum frac{1}{n}$ 发散。

第三步:综合运用与选择 (Putting it All Together)

就像面对一个复杂的谜题,我们可能会尝试不同的线索和工具。

从最简单的开始: 总是先检查通项的极限是否为零。
观察级数的结构:
如果级数中包含阶乘或指数项,比值判别法 通常是很好的选择。
如果级数项有 $n$ 的高次幂,并且形式比较简单,极限比较法 是个不错的工具。
如果级数项是某个表达式的 $n$ 次幂,根值判别法 可能有用。
如果级数是交错的,优先考虑 交错级数判别法。
如果级数各项是正的,并且可以找到一个合适的连续单调递减函数,积分判别法 是一个选择(但通常计算比较麻烦)。
如果能找到一个简单的、已知敛散性的级数进行比较,直观比较法 和 极限比较法 都很有用。
不要怕尝试: 如果一种判别法失效(例如比值判别法得到的极限是 1),不要灰心,换一种方法试试看。

判断级数的敛散性是一个循序渐进的过程,需要耐心和对各种判别法的熟练掌握。多做练习,多观察级数的特点,你就能越来越得心应手地解决这些问题。

网友意见

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这题可以用初等方法做。需要一些技巧。






其中 。可以看出,如果我们能证明对充分大的 有 ,上面不等式右边的前两项就发散(调和级数),最后一项有界,所以原级数发散。所以我们用反证法,假设存在任意大的 使得 。

那项容易估计:
。因此我们知道,存在 使得 (当 )。

要估计这项,可以先平方,再用上面的方法估计:

其中 , , 是最接近 的整数。

设 ,那么

由不等式 ,有 ,所以 (当 )。由 的定义,如果把区间 等分为 段,那么一定有一段里有两个整数 使得 ,并且 都不小于 ,其中 是 离最接近 的整数的距离。所以 和 都不大于 。这样就有 和 (当 )。令 ,我们得到存在整数 使得 ,这与 是无理数矛盾。

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