问题

什么情况下比值判别法失效?

回答
比值判别法(Ratio Test),也称为达朗贝尔判别法(d'Alembert's criterion),是一种判断级数收敛性的强大工具。它的核心思想是比较级数项的绝对值之比与1的大小,从而推断级数的收敛性。

比值判别法的表述:

设 $sum_{n=1}^{infty} a_n$ 是一个级数,且 $a_n eq 0$ 对于充分大的 $n$ 成立。令 $L = lim_{n o infty} left| frac{a_{n+1}}{a_n} ight|$。

如果 $L < 1$,则级数 $sum_{n=1}^{infty} a_n$ 绝对收敛。
如果 $L > 1$(或 $L = infty$),则级数 $sum_{n=1}^{infty} a_n$ 发散。
如果 $L = 1$,则该判别法失效,不能确定级数的收敛性。

比值判别法失效的根本原因:

比值判别法失效的根本原因在于,当级数项的绝对值之比趋近于1时,级数的增长速度变得不那么显著,以至于无法与已知的收敛或发散级数(如几何级数)进行有效的“大小”比较。换句话说,当比值接近1时,级数的行为变得“模棱两可”,其收敛性取决于更精细的增长或衰减行为,而这些行为是比值判别法无法捕捉的。

具体解释比值判别法失效的情况:

比值判别法失效的典型情况是当极限 $L = lim_{n o infty} left| frac{a_{n+1}}{a_n} ight| = 1$ 时。在这种情况下,我们需要引入其他更强大的判别法来判断级数的收敛性。

以下是比值判别法失效的几种常见情况,并附有详细解释:

1. p级数 (pSeries) 的某些情况:

考虑 p级数 $sum_{n=1}^{infty} frac{1}{n^p}$。

当 p > 1 时,级数收敛。
当 p ≤ 1 时,级数发散。

现在我们用比值判别法来分析它:
$a_n = frac{1}{n^p}$
$a_{n+1} = frac{1}{(n+1)^p}$

$left| frac{a_{n+1}}{a_n} ight| = left| frac{1/(n+1)^p}{1/n^p} ight| = frac{n^p}{(n+1)^p} = left(frac{n}{n+1} ight)^p = left(frac{1}{1 + 1/n} ight)^p$

当 $n o infty$ 时,$1/n o 0$,所以 $lim_{n o infty} left(frac{1}{1 + 1/n} ight)^p = left(frac{1}{1+0} ight)^p = 1^p = 1$。

正如我们所见,对于任何 p 值,p级数的比值判别法的极限 $L$ 都等于 1。这意味着比值判别法对于所有 p级数都失效了。然而,我们知道 p级数在 p > 1 时收敛,在 p ≤ 1 时发散。这清楚地表明,当比值判别法的极限为1时,它无法区分收敛和发散的情况。

示例:
调和级数 $sum_{n=1}^{infty} frac{1}{n}$ (p=1):比值判别法失效,但我们知道它是发散的。
平方倒级数 $sum_{n=1}^{infty} frac{1}{n^2}$ (p=2):比值判别法失效,但我们知道它是收敛的(收敛到 $frac{pi^2}{6}$)。

2. 增长或衰减速度“刚好”是多项式速度的级数:

这类级数的特点是,$|a_{n+1}/a_n|$ 的极限趋近于1,但其趋近的方式使得级数的行为介于几何级数和发散级数之间。

示例:
级数 $sum_{n=2}^{infty} frac{1}{n ln n}$:
我们知道这个级数是发散的(这是柯西积分判别法的例子,因为 $int_2^{infty} frac{1}{x ln x} dx = [ln(ln x)]_2^{infty} = infty$)。
现在我们用比值判别法来分析:
$a_n = frac{1}{n ln n}$
$a_{n+1} = frac{1}{(n+1) ln(n+1)}$

$left| frac{a_{n+1}}{a_n} ight| = frac{n ln n}{(n+1) ln(n+1)}$

为了求这个极限,我们可以使用洛必达法则或者近似。
当 $n o infty$,$frac{n}{n+1} o 1$。
我们关注 $frac{ln n}{ln(n+1)}$。令 $f(x) = ln x$,则 $ln(n+1) = f(n+1)$。
当 $n$ 很大时,$ln(n+1) approx ln n + frac{1}{n}$。
或者直接使用洛必达法则:
$lim_{n o infty} frac{ln n}{ln(n+1)}$ (形式为 $frac{infty}{infty}$)
对分子分母分别求导:
$lim_{n o infty} frac{1/n}{1/(n+1)} = lim_{n o infty} frac{n+1}{n} = lim_{n o infty} (1 + frac{1}{n}) = 1$。

所以,$lim_{n o infty} left| frac{a_{n+1}}{a_n} ight| = 1 imes 1 = 1$。
比值判别法失效。

级数 $sum_{n=1}^{infty} frac{1}{n^2}$ (再次强调):
我们知道这个级数收敛。
比值判别法的极限也是1。

3. 级数项的符号会周期性地改变,但绝对值之比的极限仍然为1:

这种情况可能不太常见,因为比值判别法通常是针对正项级数而言的,但如果考虑交错级数或者其他项可以为负的级数,且要求绝对收敛性时,会遇到类似问题。

示例:
考虑一个构造的级数,其中 $|a_n|$ 的行为类似于 $frac{1}{n}$,但有额外的因子。
例如,考虑一个级数,其中 $a_n = frac{(1)^n}{n}$. 这是收敛的(由交错级数判别法)。
$|a_n| = frac{1}{n}$.
$left| frac{a_{n+1}}{a_n} ight| = left| frac{(1)^{n+1}/(n+1)}{(1)^n/n} ight| = left| frac{1}{n+1} cdot n ight| = frac{n}{n+1} o 1$.
比值判别法失效。

4. 存在交替振荡或者比值不稳定的情况:

虽然比值判别法要求极限存在,但在某些情况下,比值的序列可能不是单调收敛到1,而是围绕着1进行振荡。如果这个振荡的范围太大,或者没有明确的收敛趋势,比值判别法就无法给出结论。

示例:
考虑一个级数,其比值序列 ${r_n} = {|a_{n+1}/a_n|}$ 可能是 ${1.1, 0.9, 1.1, 0.9, ...}$,或者更复杂地 ${1.2, 0.8, 1.1, 0.9, ...}$。如果这个序列不趋于一个确定的值,或者只是趋于一个值(如1),但存在“大的跳跃”,那么比值判别法就失效了。

更精确地说,如果 $limsup_{n o infty} left| frac{a_{n+1}}{a_n} ight| > 1$ 或者 $liminf_{n o infty} left| frac{a_{n+1}}{a_n} ight| < 1$,那么比值判别法也不会失效,而是会根据这两个极限的比较值来判断收敛或发散。失效仅仅发生在 $lim_{n o infty} left| frac{a_{n+1}}{a_n} ight| = 1$ 的时候。

当比值判别法失效时,我们应该怎么做?

当比值判别法失效时(即 $lim_{n o infty} left| frac{a_{n+1}}{a_n} ight| = 1$),我们需要求助于其他判别法,例如:

根值判别法 (Root Test): 虽然根值判别法在很多情况下与比值判别法具有相同的失效点(当极限为1时),但它在某些特殊情况下可能有效,特别是当 $|a_n|$ 的 $n$ 次方根容易计算时。
比较判别法 (Comparison Test): 将级数与一个已知收敛或发散的级数进行比较。这是最基本也是最通用的判别法之一。
极限比较判别法 (Limit Comparison Test): 计算待判级数与已知级数之比的极限。当这个极限是一个正的常数时,两个级数具有相同的收敛性。这个方法对于处理多项式形式的级数非常有用。
积分判别法 (Integral Test): 如果级数 $a_n = f(n)$ 且 $f(x)$ 是正的、单调递减的连续函数,则级数 $sum a_n$ 与积分 $int_1^{infty} f(x) dx$ 具有相同的收敛性。
交错级数判别法 (Alternating Series Test): 如果级数是交错的,且满足一定的条件,则该判别法可以用来判断收敛性。

总结:

比值判别法失效的主要情况是当级数项绝对值的比值 $left| frac{a_{n+1}}{a_n} ight|$ 的极限 $L = 1$ 时。这通常发生在级数项的增长或衰减速度接近于一个“临界”速度,使得该判别法无法与简单的几何级数进行有效的比较。在这种情况下,就需要运用其他更精细的判别方法来确定级数的收敛性。

网友意见

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谢邀。


符号说明

  • 余和:
  • 代表一般级数 的通项
  • ,表示存在与 无关的正常数 ,使得:

  • 表示正常数


思路

级数,从最本质的观点看,就是部分和 这个数列的极限。试想,一个数列逼近其极限的方式何其丰富,甚至前 N 项都可以没有任何规律可言。不过,一个数列收敛是与前 N 项无关的;一个容易为人所忽视的级数收敛的充要条件——余和 趋于0(显然这与Cauchy收敛原理是等价的),而我们所学的一切判别法其实就是在描述余和以怎样的速度收敛到0.

我们最熟悉关系式: ,而余和也有与之对偶的关系:

所以,我们能构造出多少种余和 ,就能立即得到多少种收敛级数 ;那么,我们沿着这个思路,看看都能构造哪些收敛的级数.


常见绝对收敛级数

我们将以余和 作为收敛级数作为划分依据,借由 式,列之如下:

这个级数就不用多说什么了吧,从小到大经常被“裂项”的就是它!

更一般地,若

令 ,这就是我们最熟悉的 p-级数判别法. 下面我们试试其他类型的余和——


等比级数是根式、比值判别法的主角.

我们试试对数函数——


更一般地,若

由二项式定理:

代入最后可知

令 ,这是另外一个非常重要的判别收敛的级数. 类似地,当

进一步推广,设

需要说明一下符号: 表示对数函数的 m 层嵌套. 于是通过简单的计算可得,

按照此构造法,我们永远可以构造出以更慢的方式收敛的余和,那么所得到的判别标准无限精细……


级数收敛判别法

通过与上述我的级数相比较,我们可以使用比较判别法得到级数的收敛性,这个就不用多说了. 判别的另外一种思路:我们能否不借助别的级数,而只是对自身通项进行分析得到结果——这也是我们常用的判别法的思路.

不过常见的判别法基本上都是与等比级数比较,比如

  • 比值判别法
  • 根式判别法

对于等比级数的通项 ,

所以当某级数通项 满足:

那么自然也就有:

我们知道 时级数收敛. 这样看感觉上根式判别法和比值判别法似乎是等效的,因为它们都是在求级数的广义上的公比 (或者称指数增长率) ,但实际上,根式判别法较比值判别法更强一点,这个我就不展开谈了。

  • 对数判别法

若某级数通项满足:

那么

当 时,级数收敛.


总结

可见余和是一种一以贯之的理解方法.

另外,又有 Ermakov 判别法,也是一个理解级数敛散性的思路,我打算以后有机会在我的专栏补充.

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