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=1∑∞n2+4n converges or diverges.
(b) (6 分) Find all values of x for which n=1∑∞(n+1−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
- 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。
- (a) 積分審斂法判定 ∑n2+4n:
- 令 f(x)=x2+4x。
- 我們必須先驗證 f(x) 於 x≥1 滿足三個條件:連續、正值、遞減。
- 計算 f′(x)=(x2+4)24−x2,可知當 x>2 時 f′(x)<0,故函數在 [2,∞) 遞減(這已足夠適用積分審斂法)。
- 計算瑕積分 ∫1∞x2+4xdx=t→∞lim[21ln(x2+4)]1t=∞,故瑕積分發散。
- 依積分審斂法,級數發散。
- (b) 求 ∑(n+1−n)(x−3)n 的絕對收斂範圍:
- 令 an=(n+1−n)(x−3)n。
- 為了分析絕對收斂,我們應用比值審斂法(Ratio Test):
limn→∞anan+1=limn→∞n+1−nn+2−n+1∣x−3∣
其中 n+1−nn+2−n+1=n+1+n1n+2+n+11=n+2+n+1n+1+n→1。
- 因此比值極限為 ∣x−3∣。
- 由比值審斂法,級數絕對收斂的條件為 ∣x−3∣<1⟹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=4 時級數為 ∑(n+1−n),部分和為 N+1−1→∞,發散。
- x=2 時級數為 ∑(−1)n(n+1−n),其絕對值級數同樣發散。
- 因此絕對收斂的 x 範圍為 (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=1∑∞n2+4n
設對應的實函數為:
f(x)=x2+4x
我們首先驗證積分審斂法(Integral Test)的適用條件:
- 連續性: f(x) 於 x≥1 顯然連續。
- 正值性:對所有 x≥1, f(x)>0。
- 單調性(遞減):我們求 f(x) 的一階導數:
f′(x)=(x2+4)2(1)(x2+4)−(x)(2x)=(x2+4)24−x2
當 x>2 時, f′(x)<0,這表示當 x≥2 時, f(x) 是單調遞減的。
因為當 n→∞ 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:
∫1∞f(x)dx=∫1∞x2+4xdx=t→∞lim∫1tx2+4xdx
令 u=x2+4⟹du=2xdx⟹xdx=21du。則:
∫x2+4xdx=21ln(x2+4)
因此:
∫1∞x2+4xdx=t→∞lim[21ln(x2+4)]1t=t→∞lim(21ln(t2+4)−21ln(5))=∞
由於瑕積分發散,依據積分審斂法,級數 n=1∑∞n2+4n 發散。
(b) 求解級數絕對收斂的 x 值範圍
考慮級數:
n=1∑∞(n+1−n)(x−3)n
令級數通項為 an=(n+1−n)(x−3)n。我們使用比值審斂法(Ratio Test)來分析絕對收斂性:
n→∞limanan+1=n→∞limn+1−nn+2−n+1∣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+2−n+1=n+2+n+11
n+1−n=n+1+n1
代回極限式:
n→∞limn+1+n1n+2+n+11=n→∞limn+2+n+1n+1+n=n→∞lim1+n2+1+n11+n1+1=1+11+1=1
因此:
n→∞limanan+1=1⋅∣x−3∣=∣x−3∣
根據比值審斂法:
- 當 ∣x−3∣<1 時,級數絕對收斂。
- 當 ∣x−3∣>1 時,級數發散。
由 ∣x−3∣<1 解得絕對收斂的區間內部:
−1<x−3<1⟹2<x<4
我們必須特別檢查端點處是否為「絕對收斂」:
- 當 x=4 時:
級數成為 n=1∑∞(n+1−n)。其部分和為:
SN=n=1∑N(n+1−n)=(2−1)+(3−2)+⋯+(N+1−N)=N+1−1
當 N→∞ 時, SN→∞,故級數發散,此處非絕對收斂。
- 當 x=2 時:
級數成為 n=1∑∞(n+1−n)(−1)n。
其各項絕對值組成的級數為 n=1∑∞(n+1−n),如上所述此級數發散。因此,在 x=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 x 值範圍為:
2<x<4(或寫為 x∈(2,4))