12.1 第9次作业评讲

例 12.1.1 (题1,orange-circle79%) 填空题:下列级数中,绝对收敛的级数有____,条件收敛的级数有____。

(A)

∑n=1+∞(−1)n−1sin⁡1n

(B)

∑n=1+∞(−1)n−1n2n

(C)

∑n=1+∞(−1)n−1n2n+3

(D)

∑n=1+∞(−1)n−13n2+1

(E)

∑n=1+∞(1n−ln⁡n+1n)

(F)

∑n=1+∞(−1)n−1[e−(1+1n)n]

解 BDE;AF。

(A) sin⁡1n单调趋于0,由Leibniz判别法知级数收敛;而|(−1)n−1sin⁡1n|=O(1n),故级数不绝对收敛,即级数条件收敛。

(B) limn→+∞|(−1)nn2n|n=12,由Cauchy判别法知级数绝对收敛。

(C) limn→+∞|(−1)n−1n2n+3|=12≠0,故级数发散。

(D) |(−1)n−13n2+1|=13n2+1≤1n2,由比较判别法知级数绝对收敛。

(E) Taylor展开可得1n−ln⁡n+1n=1n−[1n−12n2+O(1n3)]=12n2+O(1n3),由比较判别法知级数绝对收敛。

(F) 易知limn→+∞(1+1n)n=e,且由Bernoulli不等式可得(1)(1+1n+1)n+1(1+1n)n=(1+1n+1)[1−1(n+1)2]n≥(n+2)(n2+n+1)(n+1)3>1 故e−(1+1n)n单调趋于0,由Leibniz判别法知级数收敛;而(2)e−(1+1n)n=e−exp⁡[nln⁡(1+1n)]=e−exp⁡[1−12n+O(1n2)]=e2n+O(1n2) 即|(−1)n−1[e−(1+1n)n]|=O(1n),由比较判别法知级数发散。 ◻

例 12.1.2 (题2,red-circle24%) 不定项选择题:若级数∑n=1+∞un收敛,则以下级数中必然收敛的级数有____。

(A)

∑n=1+∞(−1)n−1unn

(B)

∑n=1+∞un2

(C)

∑n=1+∞(un−u2n)

(D)

∑n=1+∞(un+un+1)

(E)

∑n=1+∞un1+un

解 D。

(A) 反例为(3)un=(−1)n−1ln⁡n (n≥2)⟹∑n=2+∞(−1)n−1unn=∑n=2+∞1nln⁡n∼∫2+∞dxxln⁡x=+∞

(B) 反例为(4)un=(−1)n−1n⟹∑n=1+∞un2=∑n=1+∞1n=+∞

(C) 反例为(5)un=(−1)n−1n⟹an:=un−u2n=(−1)n−1n+12n=1+2(−1)n−12n⟹∑n=12Kan=∑k=1K(32k−1−12k)>∑k=1K1k→+∞

(D) 设∑n=1+∞un收敛于U,则有(6)limN→+∞∑n=1N(un+un+1)=limN→+∞∑n=1Nun+limN→+∞∑n=2N+1un=2U−u1 从而∑n=1+∞(un+un+1)收敛。

(E) 反例为(7)un=(−1)nln⁡n (n≥2)⟹an:=un1+un=(−1)nln⁡n+(−1)n⟹∑n=22K+1an=∑k=1K[1ln⁡(2k)+1−1ln⁡(2k+1)−1] 当n=2k足够大时,满足(8)1ln⁡(n+1)−1−1ln⁡n+1=2+ln⁡n−ln⁡(n+1)[ln⁡(n+1)−1](ln⁡n+1)>1(ln⁡n+1)2>1n 故∑n=2+∞an发散。 ◻

例 12.1.3 (题4,orange-circle76%) 不定项选择题:设正项级数∑n=1+∞an收敛,则下列结论中必然成立的有___。

(A)

limn→+∞an+1an<1

(B)

limn→+∞an+1an≤1

(C)

若极限limn→+∞an+1an存在,则它的值小于1

(D)

若极限limn→+∞an+1an存在,则它的值不大于1

解 D。limn→+∞an+1an不一定存在,如(9)an={12n,n∈odd1n2,n∈even 故(A)(B)错误。若极限值存在,由d’Alembert判别法知limn→+∞an+1an≤1,故(D)正确。考虑an=1n2,则limn→+∞an+1an=limn→+∞n2(n+1)2=1,故(C)错误。 ◻

例 12.1.4 (题3、题5~9) 判断题:

(1)

(red-circle64%)设正项级数∑n=1+∞an收敛,则an=O(1n), n→+∞。

(2)

(yellow-circle83%)级数∑n=1+∞cos⁡nx−cos⁡(n+1)xn对所有x都收敛。

(3)

(yellow-circle80%)级数∑n=1+∞(1+12+⋯+1n)sin⁡nnα对所有正数α都收敛。

(4)

(green-circle96%)设an>0满足limn→+∞n(anan+1−1)=A>0,则级数∑n=1+∞(−1)n−1an收敛。

(5)

(red-circle52%)十进制正整数中各位数字不含9的那些正整数的倒数和是收敛的。

(6)

(orange-circle79%)三进制正整数中各位数字不含2的那些正整数的倒数和是收敛的。

解 (1) 错。反例为(10)an={1n,n=4k1n2,n≠4k⟹∑n=1+∞an<∑k=1+∞12k+∑n=1+∞1n2=1+π26 然而,若从n=N0开始an单调递减,则上述结论正确,甚至可以证明an=o(1n)。利用Cauchy收敛准则直接证明最为简单:由于Sn:=∑k=1nak收敛,故∀ε>0,∃N1>N0,使得(11)n>m>N1⟹Sn−Sm=∑k=m+1nak<ε2 取m=⌊n2⌋,由{an}的单调性可得(12)ε2>∑k=m+1nak≥(n−⌊n2⌋)an≥n2an⟹an<εn 即∀ε>0,∃N=2N1+1>0使得n>N⟹an<εn,即an=o(1n)。

(2) 对。显然(13)|∑n=1N[cos⁡nx−cos⁡(n+1)x]|=|cos⁡x−cos⁡(N+1)x|≤2 即cos⁡nx−cos⁡(n+1)x部分和有界,此外1n单调趋于0,由Dirichlet判别法知级数收敛。

(3) 对。利用积化和差公式sin⁡αsin⁡β=−cos⁡(α+β)−cos⁡(α−β)2可得(14)2sin⁡nsin⁡12=cos⁡(n−12)−cos⁡(n+12) 故(15)|∑n=1Nsin⁡nsin⁡12|=|∑n=1N[cos⁡(n−12)−cos⁡(n+12)]|=|cos⁡12−cos⁡(N+12)|≤2 即sin⁡n部分和有界。记Hn:=1+12+⋯+1n,由积分放缩可得(16)ln⁡n<ln⁡(n+1)<∑k=1n∫kk+1dxx<Hn:=∑k=1n1k<1+∑k=2n∫k−1kdxx=1+ln⁡n 所以Hn=ln⁡n+O(1),更精确的结果是Hn=ln⁡n+γ+O(1n)。考虑(17)Hn+1(n+1)αHnnα=(1+1(n+1)Hn)(nn+1)α<?1 亦即对充分大的n,是否有下式成立(18)α>?an:=ln⁡(n+1)Hn+1(n+1)Hnln⁡n+1n 由Taylor展开ln⁡x+1x=1x+O(1x2)可得(19)an:=ln⁡(n+1)Hn+1(n+1)Hnln⁡n+1n=1(n+1)Hn+O(1(n+1)2Hn2)1n+O(1n2)=1Hn+O(1n)=1ln⁡n+O(1)→0,n→+∞ 故∀ε=α>0,∃N>0,使得n>N⟹0<an<ε=α,即Hnnα单调递减。

(4) 对。取ε=A2>0,∃N>0使得(20)n>N⟹n(anan+1−1)>A−ε=ε⟹anan+1>1+εn>1 故{an}n=N+∞单调递减,由Leibniz判别法知级数收敛当且仅当limn→+∞an=0。由多元Bernoulli不等式可得(21)aNan+1=aNaN+1aN+1aN+2⋯anan+1=(1+εN)(1+εN+1)⋯(1+εn)≥1+εN+εN+1+⋯+εn=(1−εHN−1)+εHn→+∞,n→+∞ 故limn→+∞an=0,即级数收敛。

(5) 对。k位正整数共有9×10k−1个(第一位不能为0,其余k−1位在0∼9中任取),其中最小的是10k−1,各位数字不含9的正整数共有8×9k−1个。故(22)∑n=19∉digit10(n)10K−11n≤∑k=1K8×9k−110k−1=8∑k=1K(910)k−1→80,K→+∞ 即级数收敛。

(6) 对。同理,k位三进制正整数共有2×3k−1个(第一位不能为0,其余k−1位在0∼2中任取),其中最小的是3k−1,各位数字不含2的三进制正整数共有1×2k−1个。故(23)∑n=12∉digit3(n)3K−11n≤∑k=1K1×2k−13k−1=∑k=1K(23)k−1→3,K→+∞ 即级数收敛。 ◻