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111 學年度台聯大微積分 A2 乙部第 1(2) 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A2

111學年度 · 111台聯大微積分A2 · 第 10 題

題目

Problem

  1. Determine if the series converges or diverges.

    (2) ∑n=2∞1n(ln⁡n)3/2\displaystyle\sum_{n=2}^\infty \frac{1}{n(\ln n)^{3/2}}. (6%)

解答

解法一:積分審斂法 (Integral Test)

思路

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  1. 級數一般項為 an=1n(ln⁡n)3/2a_n = \frac{1}{n(\ln n)^{3/2}}。
  2. 此一般項對應的連續函數為 f(x)=1x(ln⁡x)3/2f(x) = \frac{1}{x(\ln x)^{3/2}},在 [2,∞)[2, \infty) 上為正值、連續且單調遞減。
  3. 適合使用積分審斂法 (Integral Test) 進行判定。
  4. 計算反常積分 ∫2∞1x(ln⁡x)3/2 dx\int_2^\infty \frac{1}{x(\ln x)^{3/2}}\,\mathrm{d}x,利用代換積分法 u=ln⁡xu = \ln x 求解。

答題過程

展開

考慮對應函數 f(x)=1x(ln⁡x)3/2f(x) = \frac{1}{x(\ln x)^{3/2}}。在區間 x≥2x \ge 2 上:

  • f(x)>0f(x) > 0 (函數值為正)。
  • f(x)f(x) 連續。
  • 由於分母中的 xx 與 ln⁡x\ln x 皆隨 xx 增加而單調遞增,故 f(x)f(x) 隨 xx 增加而單調遞減。

因此,符合積分審斂法的使用條件。我們計算反常積分:

∫2∞f(x) dx=∫2∞1x(ln⁡x)3/2 dx=lim⁡t→∞∫2t1x(ln⁡x)3/2 dx\int_2^\infty f(x)\,\mathrm{d}x = \int_2^\infty \frac{1}{x(\ln x)^{3/2}}\,\mathrm{d}x = \lim_{t\to\infty} \int_2^t \frac{1}{x(\ln x)^{3/2}}\,\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:

  • 當 x=2  ⟹  u=ln⁡2x = 2 \implies u = \ln 2。
  • 當 x=t  ⟹  u=ln⁡tx = t \implies u = \ln t。

代回定積分中計算:

∫2t1x(ln⁡x)3/2 dx=∫ln⁡2ln⁡tu−3/2 du=[−2u−1/2]ln⁡2ln⁡t=2ln⁡2−2ln⁡t\int_2^t \frac{1}{x(\ln x)^{3/2}}\,\mathrm{d}x = \int_{\ln 2}^{\ln t} u^{-3/2}\,\mathrm{d}u = \left[ -2u^{-1/2} \right]_{\ln 2}^{\ln t} = \frac{2}{\sqrt{\ln 2}} - \frac{2}{\sqrt{\ln t}}

取極限 t→∞t \to \infty:

lim⁡t→∞(2ln⁡2−2ln⁡t)=2ln⁡2−0=2ln⁡2\lim_{t\to\infty} \left( \frac{2}{\sqrt{\ln 2}} - \frac{2}{\sqrt{\ln t}} \right) = \frac{2}{\sqrt{\ln 2}} - 0 = \frac{2}{\sqrt{\ln 2}}

由於此反常積分收斂至有限數值,根據積分審斂法,原無窮級數亦收斂。

故此級數收斂。


解法二:柯西凝聚審斂法 (Cauchy Condensation Test)

思路

展開
  1. 級數一般項 an=1n(ln⁡n)3/2a_n = \frac{1}{n(\ln n)^{3/2}} 滿足正值且單調遞減的條件。
  2. 根據柯西凝聚審斂法,級數 ∑an\sum a_n 與其凝聚級數 ∑2ka2k\sum 2^k a_{2^k} 具有相同的收斂性。
  3. 計算凝聚項 2ka2k2^k a_{2^k},化簡後將其轉化為對應的 pp-級數進行判定。

答題過程

展開

對於級數一般項 an=1n(ln⁡n)3/2a_n = \frac{1}{n(\ln n)^{3/2}},由於 an≥0a_n \ge 0 且為單調遞減。 我們套用柯西凝聚審斂法,構造凝聚項 2ka2k2^k a_{2^k}:

2ka2k=2k⋅12k(ln⁡2k)3/2=1(kln⁡2)3/2=1(ln⁡2)3/2⋅1k3/22^k a_{2^k} = 2^k \cdot \frac{1}{2^k \left( \ln 2^k \right)^{3/2}} = \frac{1}{\left( k \ln 2 \right)^{3/2}} = \frac{1}{(\ln 2)^{3/2}} \cdot \frac{1}{k^{3/2}}

此時,凝聚級數為:

∑k=1∞2ka2k=1(ln⁡2)3/2∑k=1∞1k3/2\sum_{k=1}^\infty 2^k a_{2^k} = \frac{1}{(\ln 2)^{3/2}} \sum_{k=1}^\infty \frac{1}{k^{3/2}}

因為級數 ∑k=1∞1k3/2\displaystyle\sum_{k=1}^\infty \frac{1}{k^{3/2}} 為 pp-級數(其中 p=32>1p = \frac{3}{2} > 1),故其為收斂級數。 常數倍數不影響級數的收斂性,因此凝聚級數 ∑k=1∞2ka2k\displaystyle\sum_{k=1}^\infty 2^k a_{2^k} 收斂。

由柯西凝聚審斂法可知,原級數 ∑n=2∞1n(ln⁡n)3/2\displaystyle\sum_{n=2}^\infty \frac{1}{n(\ln n)^{3/2}} 亦收斂。