題目
Problem
Use the integral test to determine whether the series
n=2∑∞nlnn1
is convergent or divergent.
(11) 見解答.
解答
解法一
思路
展開
- 本題明確要求使用積分審斂法 (Integral Test) 來判斷級數 ∑n=2∞nlnn1 的收斂性。
- 積分審斂法的使用前提:
若函數 f(x) 在區間 [2,∞) 上滿足正值 (positive)、連續 (continuous) 且遞減 (decreasing),則無窮級數 ∑n=2∞f(n) 與相應的瑕積分 ∫2∞f(x)dx 具有相同的收斂或發散性。
- 我們令 f(x)=xlnx1,並簡要說明其在 [2,∞) 上滿足上述三個前提。
- 計算瑕積分:
∫2∞xlnx1dx
利用變數代換法,令 u=lnx⟹du=x1dx,將積分化為 ∫u−1/2du 求值。
- 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)=xlnx1,x≥2
第一步:驗證積分審斂法的前提條件
在區間 [2,∞) 上:
- 正值性:當 x≥2 時,x>0 且 lnx≥ln2>0,故 f(x)>0 恆成立。
- 連續性:分母的 x 與 lnx 在 x≥2 上皆為連續且非零,故 f(x) 為連續函數。
- 遞減性:由於 x 與 lnx 在 x≥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) 在 x≥2 上為嚴格單調遞減函數。
因此,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∞xlnx1dx=b→∞lim∫2bxlnx1dx
使用代換積分法,令:
u=lnx⟹du=x1dx
當 x=2 時,u=ln2;當 x=b 時,u=lnb。將代換式代入:
∫2bxlnx1dx====∫ln2lnbu1du∫ln2lnbu−21du[2u21]ln2lnb2(lnb−ln2)
此時,我們取 b→∞ 的極限值:
∫2∞xlnx1dx==b→∞lim2(lnb−ln2)∞(因為 b→∞limlnb=∞)
第三步:結論
由於瑕積分 ∫2∞xlnx1dx 發散,根據積分審斂法(Integral Test),原無窮級數:
n=2∑∞nlnn1
亦為發散 (divergent)。