題目
Problem
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Determine if the series converges or diverges.
(2) n=2∑∞n(lnn)3/21. (6%)
解答
解法一:積分審斂法 (Integral Test)
思路
展開
- 級數一般項為 an=n(lnn)3/21。
- 此一般項對應的連續函數為 f(x)=x(lnx)3/21,在 [2,∞) 上為正值、連續且單調遞減。
- 適合使用積分審斂法 (Integral Test) 進行判定。
- 計算反常積分 ∫2∞x(lnx)3/21dx,利用代換積分法 u=lnx 求解。
答題過程
展開
考慮對應函數 f(x)=x(lnx)3/21。在區間 x≥2 上:
- f(x)>0 (函數值為正)。
- f(x) 連續。
- 由於分母中的 x 與 lnx 皆隨 x 增加而單調遞增,故 f(x) 隨 x 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∞x(lnx)3/21dx=t→∞lim∫2tx(lnx)3/21dx
使用變數代換,令 u=lnx⟹du=x1dx:
- 當 x=2⟹u=ln2。
- 當 x=t⟹u=lnt。
代回定積分中計算:
∫2tx(lnx)3/21dx=∫ln2lntu−3/2du=[−2u−1/2]ln2lnt=ln22−lnt2
取極限 t→∞:
t→∞lim(ln22−lnt2)=ln22−0=ln22
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
- 級數一般項 an=n(lnn)3/21 滿足正值且單調遞減的條件。
- 根據柯西凝聚審斂法,級數 ∑an 與其凝聚級數 ∑2ka2k 具有相同的收斂性。
- 計算凝聚項 2ka2k,化簡後將其轉化為對應的 p-級數進行判定。
答題過程
展開
對於級數一般項 an=n(lnn)3/21,由於 an≥0 且為單調遞減。
我們套用柯西凝聚審斂法,構造凝聚項 2ka2k:
2ka2k=2k⋅2k(ln2k)3/21=(kln2)3/21=(ln2)3/21⋅k3/21
此時,凝聚級數為:
k=1∑∞2ka2k=(ln2)3/21k=1∑∞k3/21
因為級數 k=1∑∞k3/21 為 p-級數(其中 p=23>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 收斂。
由柯西凝聚審斂法可知,原級數 n=2∑∞n(lnn)3/21 亦收斂。