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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(np/2)ln(1+n2p)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 nn \to \inftyp>0p>0 時,使用極限比較審斂法: an1np/21n2p=1n5p/2a_n \approx \frac{1}{n^{p/2}} \cdot \frac{1}{n^{2p}} = \frac{1}{n^{5p/2}}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):
    • an0a_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<p250 < 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=1an\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 nn \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:

an1np/21n2p=1n5p/2a_n \sim \frac{1}{n^{p/2}} \cdot \frac{1}{n^{2p}} = \frac{1}{n^{5p/2}}

因為級數 n=11n5p/2\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^{5p/2}}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     p25\implies p \le \frac{2}{5}
  2. 交錯級數收斂:需 ana_n 為單調遞減且 limnan=0\lim_{n\to\infty} a_n = 0。 當 p>0p > 0 時, limnnp/2=0    limntan(np/2)=0\lim_{n\to\infty} n^{-p/2} = 0 \implies \lim_{n\to\infty} \tan(n^{-p/2}) = 0。同理, limnln(1+n2p)=0\lim_{n\to\infty} \ln(1+n^{-2p}) = 0。故 limnan=0\lim_{n\to\infty} a_n = 0。 且在 p>0p>0 時,隨著 nn 增加, np/2n^{-p/2}n2pn^{-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<p250 < p \le \frac{2}{5}

故最大之 pp 值為 25\boxed{\frac{2}{5}}