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113 政大微積分 Part B 第 1 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分

113學年度 · 113微積分 · 第 6 題

題目

Problem

Problem 1: Prove or disprove the following statements:

  1. (8%) If ∑n=1∞an=A\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} a_n = A and ∑n=1∞bn=B\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} b_n = B are both convergent, then ∑n=1∞anbn=AB\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} a_n b_n = AB.

  2. (8%) Suppose that lim⁡n→∞an=0\lim_{n \to \infty} a_n = 0 and an>0a_n > 0 for all n∈Nn \in \mathbb{N}. Then ∑n=1∞(−1)n+1an\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n+1} a_n is convergence.

  3. (8%) The series ∑n=3∞1n(ln⁡n)2\displaystyle \sum_{n=3}^{\infty} \frac{1}{\sqrt{n}(\ln n)^2} is divergent.

解答

解法一

思路

展開

本題包含三個獨立的級數性質判別與證明題。

1. 判斷 ∑an=A,∑bn=B\sum a_n = A, \sum b_n = B 收斂時,是否有 ∑anbn=AB\sum a_n b_n = AB

  • 該結論是錯誤的。我們可以構造一個反例。
  • 設 an=bn=(−1)n+1na_n = b_n = \frac{(-1)^{n+1}}{\sqrt{n}}。
  • 級數 ∑n=1∞(−1)n+1n\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{n+1}}{\sqrt{n}} 是一個交錯級數,根據交錯級數審斂法(一般項趨近於 00 且單調遞減),此級數收斂。
  • 然而,乘積一般項為 anbn=((−1)n+1n)2=1na_n b_n = \left(\frac{(-1)^{n+1}}{\sqrt{n}}\right)^2 = \frac{1}{n}。
  • 其乘積級數為 ∑n=1∞anbn=∑n=1∞1n\sum_{n=1}^{\infty} a_n b_n = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n},這是調和級數,已知為發散級數。由此直接推翻該敘述。

2. 判斷若 lim⁡an=0\lim a_n = 0 且 an>0a_n > 0,交錯級數 ∑(−1)n+1an\sum (-1)^{n+1} a_n 是否必收斂

  • 該結論是錯誤的。
  • 萊布尼茲交錯級數審斂法要求一般項滿足兩個條件:(i) lim⁡n→∞an=0\lim_{n\to\infty} a_n = 0;(ii) 數列 ana_n 必須是單調遞減的(即 an+1≤ana_{n+1} \le a_n)。
  • 題目缺少了「單調遞減」這一關鍵前提。我們可以構造一個非單調遞減但極限為 00 且為正項的數列,使其交錯級數發散。
  • 反例構造法: 定義正項數列如下(奇數項發散慢,偶數項收斂快): an={2nif n is odd1n2if n is evena_n = \begin{cases} \frac{2}{n} & \text{if } n \text{ is odd} \\ \frac{1}{n^2} & \text{if } n \text{ is even} \end{cases} 當 n→∞n \to \infty 時,奇數項 2n→0\frac{2}{n} \to 0,偶數項 1n2→0\frac{1}{n^2} \to 0,故 lim⁡n→∞an=0\lim_{n\to\infty} a_n = 0 且 an>0a_n > 0 恆成立。 其交錯級數為: ∑n=1∞(−1)n+1an=a1−a2+a3−a4+⋯=2−14+23−116+25−136+⋯\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n+1} a_n = a_1 - a_2 + a_3 - a_4 + \cdots = 2 - \frac{1}{4} + \frac{2}{3} - \frac{1}{16} + \frac{2}{5} - \frac{1}{36} + \cdots 將奇數項與偶數項拆開分析:
    • 奇數項之和為 ∑k=1∞22k−1\sum_{k=1}^{\infty} \frac{2}{2k-1},這是一個發散級數(比照 ∑1k\sum \frac{1}{k})。
    • 偶數項之和為 −∑k=1∞1(2k)2-\sum_{k=1}^{\infty} \frac{1}{(2k)^2},這是一個絕對收斂級數。
    • 發散級數與收斂級數相加,其結果必發散。

3. 證明 ∑n=3∞1n(ln⁡n)2\sum_{n=3}^{\infty} \frac{1}{\sqrt{n}(\ln n)^2} 是否發散

  • 該結論是正確的(即該級數確實發散)。
  • 我們可以使用極限比較審斂法 (Limit Comparison Test)。我們知道當 n→∞n \to \infty 時,對數函數 ln⁡n\ln n 的增長速度遠慢於任何正次方的冪函數 npn^p (p>0p > 0)。
  • 例如,令 p=14p = \frac{1}{4},則有 lim⁡n→∞ln⁡nn1/8=0  ⟹  (ln⁡n)2≤n1/4\lim_{n\to\infty} \frac{\ln n}{n^{1/8}} = 0 \implies (\ln n)^2 \le n^{1/4}(對足夠大的 nn 成立)。
  • 為了進行極限比較,我們選擇與發散的 pp-級數 ∑n=3∞1n3/4\sum_{n=3}^{\infty} \frac{1}{n^{3/4}} (其特徵次數 p=3/4≤1p = 3/4 \le 1)進行比較: lim⁡n→∞1n(ln⁡n)21n3/4=lim⁡n→∞n3/4n1/2(ln⁡n)2=lim⁡n→∞n1/4(ln⁡n)2=∞\lim_{n \to \infty} \frac{\frac{1}{\sqrt{n}(\ln n)^2}}{\frac{1}{n^{3/4}}} = \lim_{n \to \infty} \frac{n^{3/4}}{n^{1/2}(\ln n)^2} = \lim_{n \to \infty} \frac{n^{1/4}}{(\ln n)^2} = \infty
  • 因為極限為 ∞\infty,且分母級數發散,所以分子級數也必然發散。

答題過程

展開

1. 評估敘述 1:

“If ∑n=1∞an=A\sum_{n=1}^{\infty} a_n = A and ∑n=1∞bn=B\sum_{n=1}^{\infty} b_n = B are both convergent, then ∑n=1∞anbn=AB\sum_{n=1}^{\infty} a_n b_n = AB.”

此敘述為錯誤 (Disprove)。 反例構造如下: 我們選擇令 an=bn=(−1)n+1na_n = b_n = \frac{(-1)^{n+1}}{\sqrt{n}}。 首先檢驗級數 ∑n=1∞an\sum_{n=1}^{\infty} a_n 的收斂性。這是一個交錯級數,其中一般項為 un=1nu_n = \frac{1}{\sqrt{n}}。因為:

  • un>0u_n > 0 對所有 n≥1n \ge 1 恆成立。
  • un+1=1n+1<1n=unu_{n+1} = \frac{1}{\sqrt{n+1}} < \frac{1}{\sqrt{n}} = u_n (單調遞減)。
  • lim⁡n→∞un=lim⁡n→∞1n=0\displaystyle \lim_{n\to\infty} u_n = \lim_{n\to\infty} \frac{1}{\sqrt{n}} = 0。

根據交錯級數審斂法, ∑n=1∞an\sum_{n=1}^{\infty} a_n 與 ∑n=1∞bn\sum_{n=1}^{\infty} b_n 皆收斂。 然而,其相乘級數的一般項為:

anbn=((−1)n+1n)((−1)n+1n)=(−1)2n+2n=1na_n b_n = \left( \frac{(-1)^{n+1}}{\sqrt{n}} \right) \left( \frac{(-1)^{n+1}}{\sqrt{n}} \right) = \frac{(-1)^{2n+2}}{n} = \frac{1}{n}

其乘積級數為:

∑n=1∞anbn=∑n=1∞1n\sum_{n=1}^{\infty} a_n b_n = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n}

此為調和級數(Harmonic Series),是經典的發散級數。 這證明了即使兩個級數均收斂,它們一般項乘積所構成的級數不一定收斂,更不一定等於兩收斂值之乘積。


2. 評估敘述 2:

“Suppose that lim⁡n→∞an=0\lim_{n \to \infty} a_n = 0 and an>0a_n > 0 for all n∈Nn \in \mathbb{N}. Then ∑n=1∞(−1)n+1an\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n+1} a_n is convergence.”

此敘述為錯誤 (Disprove)。 反例構造如下: 我們定義正項數列如下:

an={2nif n is odd1n2if n is evena_n = \begin{cases} \frac{2}{n} & \text{if } n \text{ is odd} \\[2mm] \frac{1}{n^2} & \text{if } n \text{ is even} \end{cases}

顯然,對於所有的正整數 nn,皆有 an>0a_n > 0 且 lim⁡n→∞an=0\displaystyle \lim_{n \to \infty} a_n = 0。 但其對應的交錯級數為:

∑n=1∞(−1)n+1an=a1−a2+a3−a4+⋯=2−14+23−116+25−136+⋯\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n+1} a_n = a_1 - a_2 + a_3 - a_4 + \cdots = 2 - \frac{1}{4} + \frac{2}{3} - \frac{1}{16} + \frac{2}{5} - \frac{1}{36} + \cdots

我們可以將該級數拆寫為奇數項與偶數項之和:

∑n=1∞(−1)n+1an=∑k=1∞a2k−1−∑k=1∞a2k=∑k=1∞22k−1−∑k=1∞1(2k)2\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n+1} a_n = \sum_{k=1}^{\infty} a_{2k-1} - \sum_{k=1}^{\infty} a_{2k} = \sum_{k=1}^{\infty} \frac{2}{2k-1} - \sum_{k=1}^{\infty} \frac{1}{(2k)^2}
  • 第一部分: ∑k=1∞22k−1\displaystyle \sum_{k=1}^{\infty} \frac{2}{2k-1} 與調和級數 ∑1k\sum \frac{1}{k} 進行比較,此級數發散至無窮大。
  • 第二部分: ∑k=1∞14k2=14∑k=1∞1k2\displaystyle \sum_{k=1}^{\infty} \frac{1}{4k^2} = \frac{1}{4} \sum_{k=1}^{\infty} \frac{1}{k^2} 是一個 pp-級數(p=2>1p=2 > 1),此級數收斂。

一個發散級數與一個收斂級數相加,其結果必發散。 這說明了缺少「數列遞減」這一前提,僅憑一般項趨近於 00 不能保證交錯級數收斂。


3. 證明敘述 3:

“The series ∑n=3∞1n(ln⁡n)2\sum_{n=3}^{\infty} \frac{1}{\sqrt{n}(\ln n)^2} is divergent.”

此敘述為正確 (Prove)。 證明如下: 我們利用極限比較審斂法(Limit Comparison Test),選取參考級數為:

∑n=3∞1n34\sum_{n=3}^{\infty} \frac{1}{n^{\frac{3}{4}}}

這是一個 pp-級數,因為其特徵指數 p=34≤1p = \frac{3}{4} \le 1,此級數是發散的。

我們計算兩級數一般項比值的極限:

lim⁡n→∞1n(ln⁡n)21n3/4=lim⁡n→∞n34n12(ln⁡n)2=lim⁡n→∞n14(ln⁡n)2\lim_{n \to \infty} \frac{\frac{1}{\sqrt{n}(\ln n)^2}}{\frac{1}{n^{3/4}}} = \lim_{n \to \infty} \frac{n^{\frac{3}{4}}}{n^{\frac{1}{2}}(\ln n)^2} = \lim_{n \to \infty} \frac{n^{\frac{1}{4}}}{(\ln n)^2}

當 n→∞n \to \infty 時,這是一個 ∞∞\frac{\infty}{\infty} 型未定式。我們套用羅必達法則(將 nn 視為連續變數 xx):

lim⁡x→∞x14(ln⁡x)2=L.H.lim⁡x→∞14x−342ln⁡x⋅1x=lim⁡x→∞14x142ln⁡x=lim⁡x→∞x148ln⁡x\lim_{x \to \infty} \frac{x^{\frac{1}{4}}}{(\ln x)^2} \stackrel{\text{L.H.}}{=} \lim_{x \to \infty} \frac{\frac{1}{4} x^{-\frac{3}{4}}}{2\ln x \cdot \frac{1}{x}} = \lim_{x \to \infty} \frac{\frac{1}{4} x^{\frac{1}{4}}}{2\ln x} = \lim_{x \to \infty} \frac{x^{\frac{1}{4}}}{8\ln x}

再次呈 ∞∞\frac{\infty}{\infty} 型,繼續使用羅必達法則:

lim⁡x→∞x148ln⁡x=L.H.lim⁡x→∞14x−348x=lim⁡x→∞132x14=∞\lim_{x \to \infty} \frac{x^{\frac{1}{4}}}{8\ln x} \stackrel{\text{L.H.}}{=} \lim_{x \to \infty} \frac{\frac{1}{4} x^{-\frac{3}{4}}}{\frac{8}{x}} = \lim_{x \to \infty} \frac{1}{32} x^{\frac{1}{4}} = \infty

由於比值極限為 ∞\infty,且分母的參考級數 ∑n=3∞1n3/4\sum_{n=3}^{\infty} \frac{1}{n^{3/4}} 發散,根據極限比較法,原級數:

∑n=3∞1n(ln⁡n)2\sum_{n=3}^{\infty} \frac{1}{\sqrt{n}(\ln n)^2}

也必定發散。