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111 學年度台聯大微積分 A2 乙部第 1(1) 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 9 題

題目

Problem

  1. Determine if the series converges or diverges.

    (1) ∑n=0∞(ln⁡(4en−1)−ln⁡(2en+1))\displaystyle\sum_{n=0}^\infty (\ln(4e^n - 1) - \ln(2e^n + 1)). (6%)

解答

解法一:發散審斂法

思路

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  1. 級數一般項為 an=ln⁡(4en−1)−ln⁡(2en+1)a_n = \ln(4e^n - 1) - \ln(2e^n + 1)。
  2. 利用對數性質將一般項化簡為單一對數分式: an=ln⁡(4en−12en+1)a_n = \ln\left( \frac{4e^n - 1}{2e^n + 1} \right)。
  3. 計算當 n→∞n \to \infty 時一般項的極限值 lim⁡n→∞an\lim_{n\to\infty} a_n。
  4. 若此極限不為 00,則級數由發散審斂法 (Test for Divergence) 判定發散。

答題過程

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將級數的一般項化簡:

an=ln⁡(4en−1)−ln⁡(2en+1)=ln⁡(4en−12en+1)a_n = \ln(4e^n - 1) - \ln(2e^n + 1) = \ln\left( \frac{4e^n - 1}{2e^n + 1} \right)

當 n→∞n \to \infty 時,計算此項的極限:

lim⁡n→∞an=lim⁡n→∞ln⁡(4en−12en+1)\lim_{n\to\infty} a_n = \lim_{n\to\infty} \ln\left( \frac{4e^n - 1}{2e^n + 1} \right)

因為對數函數在定義域內為連續函數,可將極限移入對數運算內部:

lim⁡n→∞an=ln⁡(lim⁡n→∞4en−12en+1)\lim_{n\to\infty} a_n = \ln\left( \lim_{n\to\infty} \frac{4e^n - 1}{2e^n + 1} \right)

將分式的分子與分母同除以 ene^n:

=ln⁡(lim⁡n→∞4−e−n2+e−n)=ln⁡(4−02+0)=ln⁡(2)= \ln\left( \lim_{n\to\infty} \frac{4 - e^{-n}}{2 + e^{-n}} \right) = \ln\left( \frac{4 - 0}{2 + 0} \right) = \ln(2)

因為:

lim⁡n→∞an=ln⁡2≠0\lim_{n\to\infty} a_n = \ln 2 \neq 0

根據發散審斂法(Test for Divergence),若級數的一般項極限不收斂於 00,則該無窮級數必發散。

故此級數發散。