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111 政治大學微積分(應數三年級)第 3 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分(應數三年級)

111學年度 · 111微積分(應數三年級) · 第 3 題

題目

Problem

3. Determine whether the series is convergent or divergent.

(a) (10%) n=1(112n)3nlnn\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \left(1 - \frac{1}{2n}\right)^{3n\ln n}.

(b) (10%) n=31n1+1/n\displaystyle\sum_{n=3}^\infty \frac{1}{n^{1+1/n}}.

解答

(a)

解法一

思路

展開

一般項含有底數趨近於 11、指數趨近於 \infty 的冪次,是 11^\infty 型。標準做法是取對數,分析 lnan=3nlnnln ⁣(112n)\ln a_n = 3n\ln n\cdot\ln\!\left(1-\dfrac{1}{2n}\right) 的行為。利用 ln(1x)x\ln(1-x) \le -x,可以估算出 ann3/2a_n \le n^{-3/2}——這正是收斂的 pp-級數(p=3/2>1p = 3/2 > 1),因此用比較審斂法得出原級數收斂。

答題過程

展開

an=(112n)3nlnna_n = \left(1 - \dfrac{1}{2n}\right)^{3n\ln n},取對數:

lnan=3nlnnln ⁣(112n)\ln a_n = 3n\ln n\cdot\ln\!\left(1 - \frac{1}{2n}\right)

利用 ln(1x)x\ln(1-x) \le -x 對所有 x(0,1)x \in (0,1) 成立,故:

lnan3nlnn(12n)=3lnn2\ln a_n \le 3n\ln n\cdot\left(-\frac{1}{2n}\right) = -\frac{3\ln n}{2}

因此:

0<ane32lnn=n3/2=1n3/20 < a_n \le e^{-\frac{3}{2}\ln n} = n^{-3/2} = \frac{1}{n^{3/2}}

由於 n=11n3/2\displaystyle\sum_{n=1}^\infty\dfrac{1}{n^{3/2}}pp-級數(p=3/2>1p = 3/2 > 1收斂,由比較審斂法,原級數 n=1an\displaystyle\sum_{n=1}^\infty a_n收斂


(b)

解法一

思路

展開

一般項為 1n1+1/n\dfrac{1}{n^{1+1/n}},當 nn 很大時,n1/n1n^{1/n} \to 1,整個項的行為趨近 1n\dfrac{1}{n}(調和級數)。用極限比較審斂法,以 bn=1nb_n = \dfrac{1}{n} 作為比較對象,若比值極限為正有限值,則與調和級數同斂散(即發散)。

答題過程

展開

bn=1nb_n = \dfrac{1}{n}(調和級數),計算極限比:

limnanbn=limn1n1+1/n1n=limn1n1/n\lim_{n\to\infty}\frac{a_n}{b_n} = \lim_{n\to\infty}\frac{\dfrac{1}{n^{1+1/n}}}{\dfrac{1}{n}} = \lim_{n\to\infty}\frac{1}{n^{1/n}}

計算 limnn1/n\lim_{n\to\infty}n^{1/n},取對數:

limnlnnn=Llimn1n=0    limnn1/n=e0=1\lim_{n\to\infty}\frac{\ln n}{n} \overset{L}{=} \lim_{n\to\infty}\frac{1}{n} = 0 \implies \lim_{n\to\infty}n^{1/n} = e^0 = 1

因此 limnanbn=1>0\displaystyle\lim_{n\to\infty}\dfrac{a_n}{b_n} = 1 > 0

極限比較審斂法an\displaystyle\sum a_n 與調和級數 1n\displaystyle\sum\dfrac{1}{n}p=1p = 1發散)同斂散,故原級數發散

易錯提醒

指數 1+1/n1 + 1/n 雖然比 11 大,但趨近速度太慢——pp-判準的「p>1p > 1 才收斂」是針對常數 pp。若 ppnn 變動、趨向 11,就不能直接套用。