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114 台聯大微積分 A3/A4/A6 計算第 1(a) 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A3/A4/A6

114學年度 · 114微積分A3/A4/A6 · 第 11 題

題目

Problem

Use the integral test to determine whether the series

∑n=2∞1nln⁡n\sum_{n=2}^{\infty} \frac{1}{n\sqrt{\ln n}}

is convergent or divergent.

(11) 見解答‾\underline{\quad\text{見解答}\quad}.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題明確要求使用積分審斂法 (Integral Test) 來判斷級數 ∑n=2∞1nln⁡n\sum_{n=2}^{\infty} \frac{1}{n\sqrt{\ln n}} 的收斂性。
  2. 積分審斂法的使用前提: 若函數 f(x)f(x) 在區間 [2,∞)[2, \infty) 上滿足正值 (positive)、連續 (continuous) 且遞減 (decreasing),則無窮級數 ∑n=2∞f(n)\sum_{n=2}^{\infty} f(n) 與相應的瑕積分 ∫2∞f(x) dx\int_{2}^{\infty} f(x)\,\mathrm{d}x 具有相同的收斂或發散性。
  3. 我們令 f(x)=1xln⁡xf(x) = \frac{1}{x\sqrt{\ln x}},並簡要說明其在 [2,∞)[2, \infty) 上滿足上述三個前提。
  4. 計算瑕積分: ∫2∞1xln⁡x dx\int_{2}^{\infty} \frac{1}{x\sqrt{\ln x}} \,\mathrm{d}x 利用變數代換法,令 u=ln⁡x  ⟹  du=1x dxu = \ln x \implies \mathrm{d}u = \frac{1}{x}\,\mathrm{d}x,將積分化為 ∫u−1/2 du\int u^{-1/2}\,\mathrm{d}u 求值。
  5. 根據瑕積分的極限結果(收斂或發散),得出級數的收斂性結論。

答題過程

展開

我們考慮與級數對應的實數函數:

f(x)=1xln⁡x,x≥2f(x) = \frac{1}{x\sqrt{\ln x}}, \quad x \ge 2

第一步:驗證積分審斂法的前提條件

在區間 [2,∞)[2, \infty) 上:

  1. 正值性:當 x≥2x \ge 2 時,x>0x > 0 且 ln⁡x≥ln⁡2>0\ln x \ge \ln 2 > 0,故 f(x)>0f(x) > 0 恆成立。
  2. 連續性:分母的 xx 與 ln⁡x\sqrt{\ln x} 在 x≥2x \ge 2 上皆為連續且非零,故 f(x)f(x) 為連續函數。
  3. 遞減性:由於 xx 與 ln⁡x\sqrt{\ln x} 在 x≥2x \ge 2 上均為嚴格單調遞增函數,兩者相乘之分母亦為嚴格單調遞增,故其倒數 f(x)f(x) 在 x≥2x \ge 2 上為嚴格單調遞減函數。

因此,f(x)f(x) 完全符合積分審斂法的前設條件。


第二步:計算對應的瑕積分

我們計算以下瑕積分:

∫2∞1xln⁡x dx=lim⁡b→∞∫2b1xln⁡x dx\int_{2}^{\infty} \frac{1}{x\sqrt{\ln x}} \,\mathrm{d}x = \lim_{b \to \infty} \int_{2}^{b} \frac{1}{x\sqrt{\ln x}} \,\mathrm{d}x

使用代換積分法,令:

u=ln⁡x  ⟹  du=1x dxu = \ln x \implies \mathrm{d}u = \frac{1}{x} \,\mathrm{d}x

當 x=2x = 2 時,u=ln⁡2u = \ln 2;當 x=bx = b 時,u=ln⁡bu = \ln b。將代換式代入:

∫2b1xln⁡x dx= ∫ln⁡2ln⁡b1u du= ∫ln⁡2ln⁡bu−12 du= [2u12]ln⁡2ln⁡b= 2(ln⁡b−ln⁡2)\begin{align*} \int_{2}^{b} \frac{1}{x\sqrt{\ln x}} \,\mathrm{d}x =&\, \int_{\ln 2}^{\ln b} \frac{1}{\sqrt{u}} \,\mathrm{d}u \\[4mm] =&\, \int_{\ln 2}^{\ln b} u^{-\frac{1}{2}} \,\mathrm{d}u \\[4mm] =&\, \Big[ 2u^{\frac{1}{2}} \Big]_{\ln 2}^{\ln b} \\[4mm] =&\, 2 \Big( \sqrt{\ln b} - \sqrt{\ln 2} \Big) \end{align*}

此時,我們取 b→∞b \to \infty 的極限值:

∫2∞1xln⁡x dx= lim⁡b→∞2(ln⁡b−ln⁡2)= ∞(因為 lim⁡b→∞ln⁡b=∞)\begin{align*} \int_{2}^{\infty} \frac{1}{x\sqrt{\ln x}} \,\mathrm{d}x =&\, \lim_{b \to \infty} 2 \Big( \sqrt{\ln b} - \sqrt{\ln 2} \Big) \\[4mm] =&\, \infty \quad (\text{因為 } \lim_{b\to\infty} \sqrt{\ln b} = \infty) \end{align*}

第三步:結論

由於瑕積分 ∫2∞1xln⁡x dx\displaystyle \int_{2}^{\infty} \frac{1}{x\sqrt{\ln x}} \,\mathrm{d}x 發散,根據積分審斂法(Integral Test),原無窮級數:

∑n=2∞1nln⁡n\sum_{n=2}^{\infty} \frac{1}{n\sqrt{\ln n}}

亦為發散 (divergent)。