題目
Problem
二、計算、證明題:共3題,每題12分、總計36分。請將題號標明清楚。
(1) Determine for which p≥0 the series
n=3∑∞n(lnn)p1
converges or diverges.
解答
解法一:積分審斂法 (Integral Test)
思路
展開
- 給定級數 ∑n=3∞n(lnn)p1,其一般項可對應函數 f(x)=x(lnx)p1,定義於 x≥3。
- 因為在 x≥3 且 p≥0 時, f(x) 顯然是連續的、正值的,且分母 x(lnx)p 隨著 x 增加而增加,所以 f(x) 為遞減函數。
- 因此,我們可以套用積分審斂法 (Integral Test):
級數的收斂性與廣義積分 ∫3∞f(x)dx 相同。
- 第一步:建立變數代換:
令 u=lnx⟹du=x1dx。
積分式改寫為:
∫x(lnx)p1dx=∫u−pdu
- 第二步:討論 p 的範圍並求出廣義積分極限:
- 情況一: p=1:
∫3∞xlnx1dx=ln(lnx)∣3∞=∞(發散)
- 情況二: p=1(由於題目前提 p≥0,因此只討論 p≥0 且 p=1):
∫3∞u−pdu=limb→∞[1−pu1−p]ln3lnb=limb→∞1−p(lnb)1−p−(ln3)1−p
- 若 1−p<0⟹p>1,則當 b→∞ 時, (lnb)1−p→0。此時積分收斂於 p−1(ln3)1−p。
- 若 1−p>0⟹0≤p<1,則當 b→∞ 時, (lnb)1−p→∞。此時積分發散。
- 第三步:總結級數收斂的 p 值範圍。
答題過程
展開
我們定義與級數對應的實數函數:
f(x)=x(lnx)p1對於 x≥3
當 p≥0 時,函數 f(x) 滿足:
- 正值性:對於所有 x≥3, x>0 且 lnx>0⟹f(x)>0。
- 連續性:分母不為零, f(x) 在 [3,∞) 上連續。
- 單調遞減性:當 x 增加時, x 與 lnx 均單調遞增,故其乘積與次方 x(lnx)p 亦單調遞增,取倒數後 f(x) 單調遞減。
根據積分審斂法(Integral Test),級數 ∑n=3∞n(lnn)p1 的斂散性與下列廣義積分相同:
I=∫3∞x(lnx)p1dx
我們引入變數變換,令 u=lnx⟹du=x1dx。
積分限變更:當 x=3⟹u=ln3;當 x→∞⟹u→∞。
I=∫ln3∞up1du=b→∞lim∫ln3bu−pdu
對 p 進行討論:
-
若 p=1:
I=b→∞lim[lnu]ln3b=b→∞lim(lnb−ln(ln3))=∞(發散)
-
若 p=1:
∫ln3bu−pdu=[1−pu1−p]ln3b=1−pb1−p−(ln3)1−p
我們分析 b→∞ 時的極限:
- 子情況 A:當 p>1 時:
此時 1−p<0,故 limb→∞b1−p=0。因此:
I=1−p0−(ln3)1−p=p−1(ln3)1−p(收斂)
- 子情況 B:當 0≤p<1 時:
此時 1−p>0,故 limb→∞b1−p=∞。因此:
I=∞(發散)
總結:
- 當 p>1 時,廣義積分收斂,故原級數收斂。
- 當 0≤p≤1 時,廣義積分發散,故原級數發散。