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113 台聯大微積分(A2) 第 9 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A2

113學年度 · 113微積分A2 · 第 9 題

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 p0p \ge 0 the series

n=31n(lnn)p\sum_{n=3}^\infty \frac{1}{n(\ln n)^p}

converges or diverges.

解答

解法一:積分審斂法 (Integral Test)

思路

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  1. 給定級數 n=31n(lnn)p\sum_{n=3}^\infty \frac{1}{n(\ln n)^p},其一般項可對應函數 f(x)=1x(lnx)pf(x) = \frac{1}{x(\ln x)^p},定義於 x3x \ge 3
  2. 因為在 x3x \ge 3p0p \ge 0 時, f(x)f(x) 顯然是連續的、正值的,且分母 x(lnx)px(\ln x)^p 隨著 xx 增加而增加,所以 f(x)f(x) 為遞減函數。
  3. 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 3f(x)dx\int_3^\infty f(x) \,\mathrm{d}x 相同。
  4. 第一步:建立變數代換: 令 u=lnx    du=1xdxu = \ln x \implies \mathrm{d}u = \frac{1}{x} \mathrm{d}x。 積分式改寫為: 1x(lnx)pdx=updu\int \frac{1}{x(\ln x)^p} \,\mathrm{d}x = \int u^{-p} \,\mathrm{d}u
  5. 第二步:討論 pp 的範圍並求出廣義積分極限
    • 情況一: p=1p = 131xlnxdx=ln(lnx)3=(發散)\int_3^\infty \frac{1}{x\ln x} \,\mathrm{d}x = \left. \ln(\ln x) \right|_3^\infty = \infty \quad (\text{發散})
    • 情況二: p1p \neq 1(由於題目前提 p0p \ge 0,因此只討論 p0p \ge 0p1p \neq 1): 3updu=limb[u1p1p]ln3lnb=limb(lnb)1p(ln3)1p1p\int_3^\infty u^{-p} \,\mathrm{d}u = \lim_{b\to\infty} \left[ \frac{u^{1-p}}{1-p} \right]_{\ln 3}^{\ln b} = \lim_{b\to\infty} \frac{(\ln b)^{1-p} - (\ln 3)^{1-p}}{1-p}
      • 1p<0    p>11-p < 0 \implies p > 1,則當 bb \to \infty 時, (lnb)1p0(\ln b)^{1-p} \to 0。此時積分收斂於 (ln3)1pp1\frac{(\ln 3)^{1-p}}{p-1}
      • 1p>0    0p<11-p > 0 \implies 0 \le p < 1,則當 bb \to \infty 時, (lnb)1p(\ln b)^{1-p} \to \infty。此時積分發散。
  6. 第三步:總結級數收斂的 pp 值範圍

答題過程

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我們定義與級數對應的實數函數:

f(x)=1x(lnx)p對於 x3f(x) = \frac{1}{x(\ln x)^p} \quad \text{對於 } x \ge 3

p0p \ge 0 時,函數 f(x)f(x) 滿足:

  1. 正值性:對於所有 x3x \ge 3x>0x > 0lnx>0    f(x)>0\ln x > 0 \implies f(x) > 0
  2. 連續性:分母不為零, f(x)f(x)[3,)[3, \infty) 上連續。
  3. 單調遞減性:當 xx 增加時, xxlnx\ln x 均單調遞增,故其乘積與次方 x(lnx)px(\ln x)^p 亦單調遞增,取倒數後 f(x)f(x) 單調遞減。

根據積分審斂法(Integral Test),級數 n=31n(lnn)p\sum_{n=3}^\infty \frac{1}{n(\ln n)^p} 的斂散性與下列廣義積分相同:

I=31x(lnx)pdxI = \int_{3}^{\infty} \frac{1}{x(\ln x)^p} \,\mathrm{d}x

我們引入變數變換,令 u=lnx    du=1xdxu = \ln x \implies \mathrm{d}u = \frac{1}{x} \,\mathrm{d}x。 積分限變更:當 x=3    u=ln3x = 3 \implies u = \ln 3;當 x    ux \to \infty \implies u \to \infty

I=ln31updu=limbln3bupduI = \int_{\ln 3}^{\infty} \frac{1}{u^p} \,\mathrm{d}u = \lim_{b \to \infty} \int_{\ln 3}^{b} u^{-p} \,\mathrm{d}u

pp 進行討論:

  1. p=1p = 1

    I=limb[lnu]ln3b=limb(lnbln(ln3))=(發散)I = \lim_{b \to \infty} \Big[ \ln u \Big]_{\ln 3}^{b} = \lim_{b \to \infty} \left( \ln b - \ln(\ln 3) \right) = \infty \quad \text{(發散)}
  2. p1p \neq 1

    ln3bupdu=[u1p1p]ln3b=b1p(ln3)1p1p\int_{\ln 3}^{b} u^{-p} \,\mathrm{d}u = \left[ \frac{u^{1-p}}{1-p} \right]_{\ln 3}^{b} = \frac{b^{1-p} - (\ln 3)^{1-p}}{1-p}

    我們分析 bb \to \infty 時的極限:

    • 子情況 A:當 p>1p > 1: 此時 1p<01 - p < 0,故 limbb1p=0\lim_{b \to \infty} b^{1-p} = 0。因此: I=0(ln3)1p1p=(ln3)1pp1(收斂)I = \frac{0 - (\ln 3)^{1-p}}{1-p} = \frac{(\ln 3)^{1-p}}{p - 1} \quad \text{(收斂)}
    • 子情況 B:當 0p<10 \le p < 1: 此時 1p>01 - p > 0,故 limbb1p=\lim_{b \to \infty} b^{1-p} = \infty。因此: I=(發散)I = \infty \quad \text{(發散)}

總結:

  • p>1p > 1 時,廣義積分收斂,故原級數收斂
  • 0p10 \le p \le 1 時,廣義積分發散,故原級數發散