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111 台灣大學微積分(B) 第 10 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分B

111學年度 · 111台大微積分B · 第 10 題

題目

Problem

10. The greatest value of pp such that the series ∑n=1∞(−1)ntan⁡(1np)ln⁡(1+1n2p)\displaystyle\sum_{n=1}^\infty (-1)^n \tan\left(\frac{1}{\sqrt{n^p}}\right) \ln\left(1 + \frac{1}{n^{2p}}\right) converges conditionally is p=(17)‾ .p = \underline{\quad (17) \quad} \,.

解答

解法一

思路

展開
  1. 級數形式為交錯級數 ∑(−1)nan\sum (-1)^n a_n,其中 an=tan⁡(n−p/2)ln⁡(1+n−2p)a_n = \tan\left(n^{-p/2}\right) \ln\left(1 + n^{-2p}\right)。
  2. 絕對收斂判定:我們分析級數 ∑an\sum a_n 的收斂性。當 n→∞n \to \infty 且 p>0p>0 時,使用極限比較審斂法: an≈1np/2⋅1n2p=1n5p/2a_n \approx \frac{1}{n^{p/2}} \cdot \frac{1}{n^{2p}} = \frac{1}{n^{5p/2}} 由 pp-級數定理,絕對收斂需要 5p2>1  ⟹  p>25\frac{5p}{2} > 1 \implies p > \frac{2}{5}。
  3. 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\sum (-1)^n a_n,若要收斂(由交錯級數審斂法):
    • an→0a_n \to 0 且遞減,此條件在 p>0p > 0 時皆成立。 因此,條件收斂的區間為 0<p≤250 < p \le \frac{2}{5}。最大的 pp 即為 25\frac{2}{5}。

答題過程

展開

設一般項為 an=tan⁡(1np/2)ln⁡(1+1n2p)a_n = \tan\left(\dfrac{1}{n^{p/2}}\right) \ln\left(1 + \dfrac{1}{n^{2p}}\right)。為使級數有意義且交錯,需 p>0p > 0。

第一步:分析絕對收斂條件

我們考慮級數 ∑n=1∞an\displaystyle\sum_{n=1}^\infty a_n。 利用極限比較審斂法,將其與 pp-級數比較。當 n→∞n \to \infty:

tan⁡(1np/2)∼1np/2,ln⁡(1+1n2p)∼1n2p\tan\left(\frac{1}{n^{p/2}}\right) \sim \frac{1}{n^{p/2}}, \quad \ln\left(1 + \frac{1}{n^{2p}}\right) \sim \frac{1}{n^{2p}}

故:

an∼1np/2⋅1n2p=1n5p/2a_n \sim \frac{1}{n^{p/2}} \cdot \frac{1}{n^{2p}} = \frac{1}{n^{5p/2}}

因為級數 ∑n=1∞1n5p/2\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^{5p/2}} 在 5p2>1  ⟹  p>25\frac{5p}{2} > 1 \implies p > \frac{2}{5} 時收斂。 故當 p>25p > \frac{2}{5} 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:

  1. 非絕對收斂   ⟹  p≤25\implies p \le \frac{2}{5}。
  2. 交錯級數收斂:需 ana_n 為單調遞減且 lim⁡n→∞an=0\lim_{n\to\infty} a_n = 0。 當 p>0p > 0 時, lim⁡n→∞n−p/2=0  ⟹  lim⁡n→∞tan⁡(n−p/2)=0\lim_{n\to\infty} n^{-p/2} = 0 \implies \lim_{n\to\infty} \tan(n^{-p/2}) = 0。同理, lim⁡n→∞ln⁡(1+n−2p)=0\lim_{n\to\infty} \ln(1+n^{-2p}) = 0。故 lim⁡n→∞an=0\lim_{n\to\infty} a_n = 0。 且在 p>0p>0 時,隨著 nn 增加, n−p/2n^{-p/2} 與 n−2pn^{-2p} 均單調遞減趨近於 00,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 pp 值範圍為:

0<p≤250 < p \le \frac{2}{5}

故最大之 pp 值為 25\boxed{\frac{2}{5}}。