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112 政治大學微積分(應數大二二) 第 2 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分(應數大二二)

112學年度 · 112微積分應數大二二 · 第 2 題

題目

Problem

2. Find each of the following: (1) Find the value(s) for pp such that the series ∑n=1∞n3+np\displaystyle \sum_{n=1}^\infty \frac{n}{\sqrt{3 + n^p}} converges. (10%) (2) Evaluate the limit: lim⁡n→∞∑i=1n3π4nsec⁡2(iπ4n)\displaystyle \lim_{n \to \infty} \sum_{i=1}^n \frac{3\pi}{4n} \sec^2\left( \frac{i\pi}{4n} \right). (10%)

解答

(1) 求解 (1)

過程

展開

我們使用極限比較審斂法 (Limit Comparison Test)。我們考慮當 nn 非常大時,級數一般項的主導項。 一般項為:

an=n3+npa_n = \frac{n}{\sqrt{3 + n^p}}

對應的主導項為:

bn=nnp=nnp/2=1np/2−1b_n = \frac{n}{\sqrt{n^p}} = \frac{n}{n^{p/2}} = \frac{1}{n^{p/2 - 1}}

我們計算這兩個正項數列比值的極限:

lim⁡n→∞anbn=lim⁡n→∞n3+npnnp=lim⁡n→∞np3+np=lim⁡n→∞13np+1\lim_{n\to\infty} \frac{a_n}{b_n} = \lim_{n\to\infty} \frac{\frac{n}{\sqrt{3 + n^p}}}{\frac{n}{\sqrt{n^p}}} = \lim_{n\to\infty} \sqrt{\frac{n^p}{3 + n^p}} = \lim_{n\to\infty} \sqrt{\frac{1}{\frac{3}{n^p} + 1}}
  • 若 p>0p > 0,則 lim⁡n→∞3np=0\lim_{n\to\infty} \frac{3}{n^p} = 0,極限值為 1>01 > 0。此時 ∑an\sum a_n 與 ∑bn\sum b_n 斂散性相同。
  • 若 p≤0p \le 0,則一般項 lim⁡n→∞an≠0\lim_{n\to\infty} a_n \neq 0,級數必定發散。

因此我們只需討論 p>0p > 0 時 ∑bn\sum b_n 的收斂性。根據 pp-級數審斂法,級數 ∑n=1∞1ns\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^s} 收斂的充要條件是 s>1s > 1:

p2−1>1  ⟹  p2>2  ⟹  p>4\frac{p}{2} - 1 > 1 \implies \frac{p}{2} > 2 \implies p > 4

結論: 當 p>4p > 4 時,原級數收斂。


(2) 求解 (2)

過程

展開

我們將極限式識別為一個函數在閉區間 [0,1][0, 1] 上的定積分的定積分黎曼和極限: 定義區間 [0,1][0, 1],將其 nn 等分,則:

  • 區間寬度為 Δx=1n\Delta x = \frac{1}{n}。
  • 分點為 xi=inx_i = \frac{i}{n} (對於 i=1,2,…,ni = 1, 2, \dots, n)。

我們重寫原式:

lim⁡n→∞∑i=1n3π4nsec⁡2(iπ4n)=lim⁡n→∞∑i=1n[3π4sec⁡2(π4xi)]Δx\lim_{n \to \infty} \sum_{i=1}^n \frac{3\pi}{4n} \sec^2\left( \frac{i\pi}{4n} \right) = \lim_{n \to \infty} \sum_{i=1}^n \left[ \frac{3\pi}{4} \sec^2\left( \frac{\pi}{4} x_i \right) \right] \Delta x

根據黎曼和定義,此極限對應以下定積分:

I=∫013π4sec⁡2(π4x) dxI = \int_0^1 \frac{3\pi}{4} \sec^2\left( \frac{\pi}{4} x \right) \,\mathrm{d}x

我們進行變數代換,令 u=π4x  ⟹  du=π4 dx  ⟹  3π4 dx=3 duu = \frac{\pi}{4} x \implies \mathrm{d}u = \frac{\pi}{4} \,\mathrm{d}x \implies \frac{3\pi}{4} \,\mathrm{d}x = 3\,\mathrm{d}u。

  • 當 x=0  ⟹  u=0x = 0 \implies u = 0。
  • 當 x=1  ⟹  u=π4x = 1 \implies u = \frac{\pi}{4}。

代入計算:

I=∫0π43sec⁡2u du=[3tan⁡u]0π4=3tan⁡(π4)−3tan⁡(0)=3(1)−0=3I = \int_0^{\frac{\pi}{4}} 3 \sec^2 u \,\mathrm{d}u = \Big[ 3 \tan u \Big]_0^{\frac{\pi}{4}} = 3 \tan\left(\frac{\pi}{4}\right) - 3 \tan(0) = 3(1) - 0 = 3

結論: 極限值為 33。