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111 學年度台綜大微積分 B 第 8 題

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111學年度 · 111台綜大微積分B · 第 8 題

題目

Problem

8.

(1) Let {an}n∈N\{a_n\}_{n\in\mathbb{N}} be a sequence defined by an=2nn!a_n = \frac{2^n}{n!}. Find ∑n=1∞nan\sum_{n=1}^\infty n a_n. (5%)

(2) Use the Integral Test to determine whether the series ∑n=1∞1n(ln⁡n)\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n(\ln n)} is convergent or divergent? (5%)

解答

思路

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(1) 第一小題

  1. 將 ana_n 代入求和式: ∑n=1∞n2nn!=∑n=1∞2n(n−1)!\sum_{n=1}^\infty n \frac{2^n}{n!} = \sum_{n=1}^\infty \frac{2^n}{(n-1)!}
  2. 將變數做平移,令 k=n−1k = n-1: ∑k=0∞2k+1k!=2∑k=0∞2kk!\sum_{k=0}^\infty \frac{2^{k+1}}{k!} = 2 \sum_{k=0}^\infty \frac{2^k}{k!}
  3. 利用指數函數馬克勞林級數 ex=∑k=0∞xkk!e^x = \sum_{k=0}^\infty \frac{x^k}{k!},即可直接求值。

(2) 第二小題

  • 試卷 Typo 說明: 原卷題目寫成 ∑n=1∞1nln⁡n\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n\ln n}。然而當 n=1n=1 時, ln⁡1=0\ln 1 = 0,分母為 0,此時第一項無定義。這顯然是命題老師的排版錯誤,正確起始項應為 n=2n=2。 本站將針對修正後的級數 ∑n=2∞1nln⁡n\sum_{n=2}^\infty \frac{1}{n\ln n} 進行積分審斂法檢定。
  • 積分審斂法: 考慮函數 f(x)=1xln⁡xf(x) = \frac{1}{x\ln x}。對此函數在區間 [2,∞)[2, \infty) 上求瑕積分,藉由積分的發散與否判定級數。

答題過程

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(1) 第一小題

計算級數和:

∑n=1∞nan=∑n=1∞n2nn!=∑n=1∞2n(n−1)!\sum_{n=1}^\infty n a_n = \sum_{n=1}^\infty n \frac{2^n}{n!} = \sum_{n=1}^\infty \frac{2^n}{(n-1)!}

令 k=n−1k = n - 1,上式可平移改寫為:

=∑k=0∞2k+1k!=2∑k=0∞2kk!= \sum_{k=0}^\infty \frac{2^{k+1}}{k!} = 2 \sum_{k=0}^\infty \frac{2^k}{k!}

因為指數函數的麥克勞林展開式為:

ex=∑k=0∞xkk!e^x = \sum_{k=0}^\infty \frac{x^k}{k!}

代入 x=2x = 2 得到:

∑k=0∞2kk!=e2\sum_{k=0}^\infty \frac{2^k}{k!} = e^2

因此,級數之和為:

2e22 e^2

(2) 第二小題

(注意:原卷首項 n=1n=1 導致分母為 0 無意義,在此修正起始項為 n=2n=2。)

欲檢驗級數 ∑n=2∞1nln⁡n\sum_{n=2}^\infty \frac{1}{n\ln n} 的收斂性。 設函數 f(x)=1xln⁡xf(x) = \frac{1}{x\ln x}。在 [2,∞)[2, \infty) 區間上, f(x)f(x) 恆為正、連續且為單調遞減函數。

我們對 f(x)f(x) 進行瑕積分檢定:

∫2∞1xln⁡x dx=lim⁡t→∞∫2t1xln⁡x dx\int_2^\infty \frac{1}{x\ln x}\,\mathrm{d}x = \lim_{t\to\infty} \int_2^t \frac{1}{x\ln x}\,\mathrm{d}x

使用變數代換,令 u=ln⁡x  ⟹  du=1x dxu = \ln x \implies \mathrm{d}u = \frac{1}{x}\,\mathrm{d}x:

∫2∞1xln⁡x dx=lim⁡t→∞∫2t1ln⁡x d(ln⁡x)\int_2^\infty \frac{1}{x\ln x}\,\mathrm{d}x = \lim_{t\to\infty} \int_2^t \frac{1}{\ln x}\,\mathrm{d}(\ln x) =lim⁡t→∞[ln⁡(ln⁡x)]2t= \lim_{t\to\infty} \Big[ \ln(\ln x) \Big]_2^t =lim⁡t→∞(ln⁡(ln⁡t)−ln⁡(ln⁡2))=∞= \lim_{t\to\infty} \left( \ln(\ln t) - \ln(\ln 2) \right) = \infty

由於此瑕積分發散,根據積分審斂法,級數 ∑n=2∞1nln⁡n\sum_{n=2}^\infty \frac{1}{n\ln n} 為發散(Divergent)。

結論: (1) 和為 2e2\displaystyle 2e^2。 (2) 此級數為發散。