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111 學年度台綜大微積分 A 第 6 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分A

111學年度 · 111台綜大微積分A · 第 6 題

題目

Problem

6. For what real values of pp does the series ∑n=2∞1npln⁡n\sum_{n=2}^\infty \frac{1}{n^p \ln n} converges? (10%)

解答

思路

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  • 情況一: p>1p > 1。 當 n≥2n \ge 2 時, ln⁡n>1\ln n > 1 (對足夠大之 nn)。因此,通項有 1npln⁡n<1np\frac{1}{n^p \ln n} < \frac{1}{n^p}。 由於 ∑1np\sum \frac{1}{n^p} 在 p>1p > 1 時收斂,由比較審斂法知此級數收斂。
  • 情況二: p=1p = 1。 級數為 ∑n=2∞1nln⁡n\sum_{n=2}^\infty \frac{1}{n\ln n}。採用積分審斂法: ∫2∞1xln⁡x dx=lim⁡t→∞[ln⁡(ln⁡x)]2t=∞(發散)\int_2^\infty \frac{1}{x\ln x}\,\mathrm{d}x = \lim_{t\to\infty} \Big[ \ln(\ln x) \Big]_2^t = \infty \quad (\text{發散})
  • 情況三: p<1p < 1。 由於 np<n  ⟹  1npln⁡n>1nln⁡nn^p < n \implies \frac{1}{n^p\ln n} > \frac{1}{n\ln n},故發散。

答題過程

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根據實數 pp 的範圍討論:

  1. 若 p>1p > 1: 考慮級數 bn=1npb_n = \frac{1}{n^p},因 p>1p > 1 故 ∑bn\sum b_n 收斂。 利用極限比較審斂法(Limit Comparison Test):

    lim⁡n→∞1npln⁡n1np=lim⁡n→∞1ln⁡n=0\lim_{n\to\infty} \frac{\frac{1}{n^p\ln n}}{\frac{1}{n^p}} = \lim_{n\to\infty} \frac{1}{\ln n} = 0

    因為極限為 0 且較大級數收斂,故原級數收斂。

  2. 若 p=1p = 1: 原級數為 ∑n=2∞1nln⁡n\sum_{n=2}^\infty \frac{1}{n\ln n}。使用積分審斂法:

    ∫2∞1xln⁡x dx=[ln⁡(ln⁡x)]2∞=∞(發散)\int_2^\infty \frac{1}{x\ln x}\,\mathrm{d}x = \Big[ \ln(\ln x) \Big]_2^\infty = \infty \quad (\text{發散})

    故原級數發散。

  3. 若 p<1p < 1: 由於對 n≥2n \ge 2 有 np<n  ⟹  1npln⁡n>1nln⁡nn^p < n \implies \frac{1}{n^p\ln n} > \frac{1}{n\ln n}。 因為 ∑1nln⁡n\sum \frac{1}{n\ln n} 發散,由比較審斂法知,原級數亦發散。

結論: p>1p > 1。