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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∞(1−12n)3nln⁡n\displaystyle\sum_{n=1}^\infty \left(1 - \frac{1}{2n}\right)^{3n\ln n}.

(b) (10%) ∑n=3∞1n1+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 1∞1^\infty 型。標準做法是取對數,分析 ln⁡an=3nln⁡n⋅ln⁡ ⁣(1−12n)\ln a_n = 3n\ln n\cdot\ln\!\left(1-\dfrac{1}{2n}\right) 的行為。利用 ln⁡(1−x)≤−x\ln(1-x) \le -x,可以估算出 an≤n−3/2a_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

令 an=(1−12n)3nln⁡na_n = \left(1 - \dfrac{1}{2n}\right)^{3n\ln n},取對數:

ln⁡an=3nln⁡n⋅ln⁡ ⁣(1−12n)\ln a_n = 3n\ln n\cdot\ln\!\left(1 - \frac{1}{2n}\right)

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

ln⁡an≤3nln⁡n⋅(−12n)=−3ln⁡n2\ln a_n \le 3n\ln n\cdot\left(-\frac{1}{2n}\right) = -\frac{3\ln n}{2}

因此:

0<an≤e−32ln⁡n=n−3/2=1n3/20 < a_n \le e^{-\frac{3}{2}\ln n} = n^{-3/2} = \frac{1}{n^{3/2}}

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


(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/n→1n^{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

取 bn=1nb_n = \dfrac{1}{n}(調和級數),計算極限比:

lim⁡n→∞anbn=lim⁡n→∞1n1+1/n1n=lim⁡n→∞1n1/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 lim⁡n→∞n1/n\lim_{n\to\infty}n^{1/n},取對數:

lim⁡n→∞ln⁡nn=Llim⁡n→∞1n=0  ⟹  lim⁡n→∞n1/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 lim⁡n→∞anbn=1>0\displaystyle\lim_{n\to\infty}\dfrac{a_n}{b_n} = 1 > 0。

由極限比較審斂法,∑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 pp 隨 nn 變動、趨向 11,就不能直接套用。