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112 台聯大微積分(A2) 第 10 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A2

112學年度 · 112微積分A2 · 第 10 題

題目

Problem

二、計算、證明題:共 3 題,每題 12 分,共 36 分。須詳細寫出計算及證明過程,否則不予計分。

(a) (6 分) Use the integral test to determine if the series n=1nn2+4\sum\limits_{n=1}^\infty \frac{n}{n^2 + 4} converges or diverges.

(b) (6 分) Find all values of xx for which n=1(n+1n)(x3)n\sum\limits_{n=1}^\infty (\sqrt{n+1} - \sqrt{n})(x - 3)^n converges absolutely.

解答

解法一:積分審斂法與比值審斂法

思路

展開
  1. 本題包含兩小題:級數的積分審斂法應用與冪級數絕對收斂區間的求解。
  2. (a) 積分審斂法判定 nn2+4\sum \frac{n}{n^2+4}
    • f(x)=xx2+4f(x) = \frac{x}{x^2+4}
    • 我們必須先驗證 f(x)f(x)x1x \ge 1 滿足三個條件:連續、正值、遞減。
    • 計算 f(x)=4x2(x2+4)2f'(x) = \frac{4-x^2}{(x^2+4)^2},可知當 x>2x > 2f(x)<0f'(x) < 0,故函數在 [2,)[2, \infty) 遞減(這已足夠適用積分審斂法)。
    • 計算瑕積分 1xx2+4dx=limt[12ln(x2+4)]1t=\int_1^\infty \frac{x}{x^2+4} \,\mathrm{d}x = \lim\limits_{t\to\infty} \left[ \frac{1}{2}\ln(x^2+4) \right]_1^t = \infty,故瑕積分發散。
    • 依積分審斂法,級數發散。
  3. (b) 求 (n+1n)(x3)n\sum (\sqrt{n+1}-\sqrt{n})(x-3)^n 的絕對收斂範圍
    • an=(n+1n)(x3)na_n = (\sqrt{n+1}-\sqrt{n})(x-3)^n
    • 為了分析絕對收斂,我們應用比值審斂法(Ratio Test): limnan+1an=limnn+2n+1n+1nx3\lim_{n\to\infty} \left| \frac{a_{n+1}}{a_n} \right| = \lim_{n\to\infty} \left| \frac{\sqrt{n+2}-\sqrt{n+1}}{\sqrt{n+1}-\sqrt{n}} \right| |x-3| 其中 n+2n+1n+1n=1n+2+n+11n+1+n=n+1+nn+2+n+11\frac{\sqrt{n+2}-\sqrt{n+1}}{\sqrt{n+1}-\sqrt{n}} = \frac{\frac{1}{\sqrt{n+2}+\sqrt{n+1}}}{\frac{1}{\sqrt{n+1}+\sqrt{n}}} = \frac{\sqrt{n+1}+\sqrt{n}}{\sqrt{n+2}+\sqrt{n+1}} \to 1
    • 因此比值極限為 x3|x-3|
    • 由比值審斂法,級數絕對收斂的條件為 x3<1    2<x<4|x-3| < 1 \implies 2 < x < 4
    • 由於題目僅詢問「絕對收斂」(converges absolutely),故不需要包含條件收斂的端點。
    • 驗證端點:
      • x=4x=4 時級數為 (n+1n)\sum (\sqrt{n+1}-\sqrt{n}),部分和為 N+11\sqrt{N+1}-1 \to \infty,發散。
      • x=2x=2 時級數為 (1)n(n+1n)\sum (-1)^n (\sqrt{n+1}-\sqrt{n}),其絕對值級數同樣發散。
    • 因此絕對收斂的 xx 範圍為 (2,4)(2, 4)

答題過程

展開

(a) 使用積分審斂法判定級數的斂散性

我們考慮級數:

n=1nn2+4\sum_{n=1}^\infty \frac{n}{n^2 + 4}

設對應的實函數為:

f(x)=xx2+4f(x) = \frac{x}{x^2 + 4}

我們首先驗證積分審斂法(Integral Test)的適用條件:

  1. 連續性f(x)f(x)x1x \ge 1 顯然連續。
  2. 正值性:對所有 x1x \ge 1f(x)>0f(x) > 0
  3. 單調性(遞減):我們求 f(x)f(x) 的一階導數: f(x)=(1)(x2+4)(x)(2x)(x2+4)2=4x2(x2+4)2f'(x) = \frac{(1)(x^2 + 4) - (x)(2x)}{(x^2 + 4)^2} = \frac{4 - x^2}{(x^2 + 4)^2}x>2x > 2 時, f(x)<0f'(x) < 0,這表示當 x2x \ge 2 時, f(x)f(x) 是單調遞減的。

因為當 nn \to \infty 時的尾部行為決定了級數的斂散性,所以在有限項後的遞減性已足夠適用積分審斂法。

我們計算對應的瑕積分:

1f(x)dx=1xx2+4dx=limt1txx2+4dx\int_1^\infty f(x) \,\mathrm{d}x = \int_1^\infty \frac{x}{x^2 + 4} \,\mathrm{d}x = \lim_{t \to \infty} \int_1^t \frac{x}{x^2 + 4} \,\mathrm{d}x

u=x2+4    du=2xdx    xdx=12duu = x^2 + 4 \implies \mathrm{d}u = 2x\,\mathrm{d}x \implies x\,\mathrm{d}x = \frac{1}{2}\mathrm{d}u。則:

xx2+4dx=12ln(x2+4)\int \frac{x}{x^2 + 4} \,\mathrm{d}x = \frac{1}{2} \ln(x^2 + 4)

因此:

1xx2+4dx=limt[12ln(x2+4)]1t=limt(12ln(t2+4)12ln(5))=\int_1^\infty \frac{x}{x^2 + 4} \,\mathrm{d}x = \lim_{t \to \infty} \left[ \frac{1}{2} \ln(x^2 + 4) \right]_1^t = \lim_{t \to \infty} \left( \frac{1}{2}\ln(t^2 + 4) - \frac{1}{2}\ln(5) \right) = \infty

由於瑕積分發散,依據積分審斂法,級數 n=1nn2+4\sum\limits_{n=1}^\infty \frac{n}{n^2 + 4} 發散


(b) 求解級數絕對收斂的 xx 值範圍

考慮級數:

n=1(n+1n)(x3)n\sum_{n=1}^\infty (\sqrt{n+1} - \sqrt{n})(x - 3)^n

令級數通項為 an=(n+1n)(x3)na_n = (\sqrt{n+1} - \sqrt{n})(x - 3)^n。我們使用比值審斂法(Ratio Test)來分析絕對收斂性:

limnan+1an=limnn+2n+1n+1nx3\lim_{n \to \infty} \left| \frac{a_{n+1}}{a_n} \right| = \lim_{n \to \infty} \left| \frac{\sqrt{n+2} - \sqrt{n+1}}{\sqrt{n+1} - \sqrt{n}} \right| |x - 3|

我們化簡係數部分。將分子與分母分別有理化(同乘以共軛項):

n+2n+1=1n+2+n+1\sqrt{n+2} - \sqrt{n+1} = \frac{1}{\sqrt{n+2} + \sqrt{n+1}} n+1n=1n+1+n\sqrt{n+1} - \sqrt{n} = \frac{1}{\sqrt{n+1} + \sqrt{n}}

代回極限式:

limn1n+2+n+11n+1+n=limnn+1+nn+2+n+1=limn1+1n+11+2n+1+1n=1+11+1=1\lim_{n \to \infty} \frac{\frac{1}{\sqrt{n+2} + \sqrt{n+1}}}{\frac{1}{\sqrt{n+1} + \sqrt{n}}} = \lim_{n \to \infty} \frac{\sqrt{n+1} + \sqrt{n}}{\sqrt{n+2} + \sqrt{n+1}} = \lim_{n \to \infty} \frac{\sqrt{1 + \frac{1}{n}} + 1}{\sqrt{1 + \frac{2}{n}} + \sqrt{1 + \frac{1}{n}}} = \frac{1+1}{1+1} = 1

因此:

limnan+1an=1x3=x3\lim_{n \to \infty} \left| \frac{a_{n+1}}{a_n} \right| = 1 \cdot |x - 3| = |x - 3|

根據比值審斂法:

  • x3<1|x - 3| < 1 時,級數絕對收斂。
  • x3>1|x - 3| > 1 時,級數發散。

x3<1|x - 3| < 1 解得絕對收斂的區間內部:

1<x3<1    2<x<4-1 < x - 3 < 1 \implies 2 < x < 4

我們必須特別檢查端點處是否為「絕對收斂」:

  1. x=4x = 4: 級數成為 n=1(n+1n)\sum\limits_{n=1}^\infty (\sqrt{n+1} - \sqrt{n})。其部分和為: SN=n=1N(n+1n)=(21)+(32)++(N+1N)=N+11S_N = \sum_{n=1}^N (\sqrt{n+1} - \sqrt{n}) = (\sqrt{2}-1) + (\sqrt{3}-\sqrt{2}) + \cdots + (\sqrt{N+1}-\sqrt{N}) = \sqrt{N+1} - 1NN \to \infty 時, SNS_N \to \infty,故級數發散,此處非絕對收斂。
  2. x=2x = 2: 級數成為 n=1(n+1n)(1)n\sum\limits_{n=1}^\infty (\sqrt{n+1} - \sqrt{n})(-1)^n。 其各項絕對值組成的級數為 n=1(n+1n)\sum\limits_{n=1}^\infty (\sqrt{n+1} - \sqrt{n}),如上所述此級數發散。因此,在 x=2x = 2 處級數非絕對收斂(僅為條件收斂)。

綜合上述,使級數絕對收斂的所有 xx 值範圍為:

2<x<4(或寫為 x(2,4))2 < x < 4 \quad (\text{或寫為 } x \in (2, 4))