題目
Problem
10. The greatest value of p such that the series n=1∑∞(−1)ntan(np1)ln(1+n2p1) converges conditionally is p=(17).
解答
解法一
思路
展開
- 級數形式為交錯級數 ∑(−1)nan,其中 an=tan(n−p/2)ln(1+n−2p)。
- 絕對收斂判定:我們分析級數 ∑an 的收斂性。當 n→∞ 且 p>0 時,使用極限比較審斂法:
an≈np/21⋅n2p1=n5p/21
由 p-級數定理,絕對收斂需要 25p>1⟹p>52。
- 條件收斂判定:條件收斂需要級數收斂但非絕對收斂。
對於交錯級數 ∑(−1)nan,若要收斂(由交錯級數審斂法):
- an→0 且遞減,此條件在 p>0 時皆成立。
因此,條件收斂的區間為 0<p≤52。最大的 p 即為 52。
答題過程
展開
設一般項為 an=tan(np/21)ln(1+n2p1)。為使級數有意義且交錯,需 p>0。
第一步:分析絕對收斂條件
我們考慮級數 n=1∑∞an。
利用極限比較審斂法,將其與 p-級數比較。當 n→∞:
tan(np/21)∼np/21,ln(1+n2p1)∼n2p1
故:
an∼np/21⋅n2p1=n5p/21
因為級數 n=1∑∞n5p/21 在 25p>1⟹p>52 時收斂。
故當 p>52 時,原級數絕對收斂。
第二步:分析條件收斂條件
若級數條件收斂,則需滿足交錯級數收斂,但非絕對收斂:
- 非絕對收斂 ⟹p≤52。
- 交錯級數收斂:需 an 為單調遞減且 limn→∞an=0。
當 p>0 時, limn→∞n−p/2=0⟹limn→∞tan(n−p/2)=0。同理, limn→∞ln(1+n−2p)=0。故 limn→∞an=0。
且在 p>0 時,隨著 n 增加, n−p/2 與 n−2p 均單調遞減趨近於 0,其正切與對數複合函數亦為正值且單調遞減,符合交錯級數審斂法(Leibniz’s Rule)。
因此,原級數條件收斂的 p 值範圍為:
0<p≤52
故最大之 p 值為 52。