2013年考研数学三第4题

选择题 · 4分

📝 题目

设 $\left\{a_{n}\right\}$ 为正项数列,下列选项正确的是(

A
若 $a_{n}\gt a_{n+1}$ ,则 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1} a_{n}$ 收敛。
B
若 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1} a_{n}$ 收敛,则 $a_{n}\gt a_{n+1}$ .
C
若 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} a_{n}$ 收敛,则存在常数 $p\gt 1$ ,使 $\displaystyle \lim _{n \rightarrow \infty} n^{p} a_{n}$ 存在。
D
若存在常数 $p\gt 1$ ,使 $\displaystyle \lim _{n \rightarrow \infty} n^{p} a_{n}$ 存在,则 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} a_{n}$ 收敛。

💡 答案解析

**答案**: (D).

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**解析**:

方法一 令 $\displaystyle\lim _{n \rightarrow \infty} n^{p} a_{n}=\displaystyle\lim _{n \rightarrow \infty} \displaystyle\frac{a_{n}}{\displaystyle\frac{1}{n^{p}}}=A \geqslant 0$ . 当 $A=0$ 时,取 $\varepsilon_{0}=1$ ,存在 $N\gt 0$ ,当 $n\gt N$ 时,$\left|\displaystyle\frac{a_{n}}{\displaystyle\frac{1}{n^{p}}}-0\right|\lt 1$ ,从而 $0 \leqslant a_{n}\lt \displaystyle\frac{1}{n^{p}}$ ,

因为 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \displaystyle\frac{1}{n^{p}}$ 收敛,所以由比较审玫法的基本形式得 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_{n}$ 收敛; 当 $A\gt 0$ 时,由比较审玫法的极限形式得级数 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_{n}$ 与 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \displaystyle\frac{1}{n^{p}}$ 玫散性相同,因为 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \displaystyle\frac{1}{n^{p}}$ 收敛,所以 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_{n}$ 收敛,应选(D)。 方法二 取 $a_{n}=\displaystyle\frac{n+1}{n}$ ,显然 $a_{n}\gt a_{n+1}$ ,因为 $\displaystyle\lim _{n \rightarrow \infty} a_{n}=1 \neq 0$ ,所以 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1} a_{n}$ 发散,(A)不对; 取 $a_{n}=\displaystyle\frac{1}{n}+\displaystyle\frac{(-1)^{n-1}}{n^{2}}$ ,显然 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1} a_{n}=\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\left[\displaystyle\frac{(-1)^{n-1}}{n}+\displaystyle\frac{1}{n^{2}}\right]$ 收敛,但 $\left\{a_{n}\right}$ 不单调,

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:分析选项(D)的正确性
选项(D)的表述为:若存在常数 $p>0$,使得 $\lim\limits_{n\to\infty} n^p a_n = A \geq 0$,则级数 $\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ 收敛。 我们分两种情况讨论: **情况1:$A>0$** 由极限定义,存在正整数 $N$,当 $n>N$ 时,有 $\frac{A}{2} < n^p a_n < \frac{3A}{2}$,从而 $a_n > \frac{A}{2} \cdot \frac{1}{n^p}$。由于 $p>0$,级数 $\sum \frac{1}{n^p}$ 当 $p>1$ 时收敛,当 $00$,未限定 $p>1$,因此当 $0N$ 时,有 $n^p a_n < 1$,即 $a_n < \frac{1}{n^p}$。此时同样需要 $p>1$ 才能由比较审敛法推出 $\sum a_n$ 收敛;若 $0
公式:$$\lim_{n\to\infty} n^p a_n = A \geq 0, \quad p>0$$
提示:注意 $p$-级数 $\sum 1/n^p$ 在 $p>1$ 时收敛,$p\leq 1$ 时发散。
步骤 3/5
目标:排除选项(B)
为了排除选项(B)“数列 $\{a_n\}$ 单调递减”,我们需要构造一个反例,使得级数 $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1}a_n$ 收敛,但 $\{a_n\}$ 并不单调递减。 考虑构造 $a_n = \frac{1}{n} + \frac{(-1)^{n-1}}{n^2}$。首先验证级数 $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1}a_n$ 的收敛性: $$ (-1)^{n-1}a_n = (-1)^{n-1}\left(\frac{1}{n} + \frac{(-1)^{n-1}}{n^2}\right) = \frac{(-1)^{n-1}}{n} + \frac{1}{n^2}. $$ 因此, $$ \sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1}a_n = \sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n-1}}{n} + \sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2}. $$ 其中 $\sum_{n=1}^{\infty}\frac{(-1)^{n-1}}{n}$ 是交错调和级数,收敛(条件收敛);$\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2}$ 是 $p=2>1$ 的 $p$ 级数,绝对收敛。因此两个收敛级数的和仍然收敛,即 $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1}a_n$ 收敛。 接下来检查 $\{a_n\}$ 的单调性。计算前几项: - $n=1$:$a_1 = 1 + 1 = 2$。 - $n=2$:$a_2 = \frac{1}{2} + \frac{(-1)^{1}}{4} = \frac{1}{2} - \frac{1}{4} = \frac{1}{4}$。 - $n=3$:$a_3 = \frac{1}{3} + \frac{(-1)^{2}}{9} = \frac{1}{3} + \frac{1}{9} = \frac{4}{9}$。 - $n=4$:$a_4 = \frac{1}{4} + \frac{(-1)^{3}}{16} = \frac{1}{4} - \frac{1}{16} = \frac{3}{16}$。 观察数值:$a_1=2$,$a_2=0.25$,$a_3\approx0.444$,$a_4=0.1875$。可见 $a_2 < a_3$,即 $a_2$ 不大于 $a_3$,因此数列 $\{a_n\}$ 不满足 $a_n > a_{n+1}$ 对所有 $n$ 成立,即不单调递减。 这个反例表明:即使 $\sum(-1)^{n-1}a_n$ 收敛,也不能推出 $\{a_n\}$ 单调递减,因此选项(B)不是必要条件,应排除。
公式:a_n = \frac{1}{n} + \frac{(-1)^{n-1}}{n^2}
提示:构造反例时,可在收敛级数基础上添加一个振荡小量破坏单调性。
步骤 4/5
目标:排除选项(C)
要排除选项(C),即证明“若级数 $\sum a_n$ 收敛,则存在某个 $p>1$ 使得 $\lim_{n\to\infty} n^p a_n$ 存在且有限”这一命题是错误的。我们需要构造一个反例:一个收敛级数 $\sum a_n$,使得对任意 $p>1$,极限 $\lim_{n\to\infty} n^p a_n$ 不存在(或为无穷大)。 考虑级数 $\sum_{n=2}^{\infty} \frac{1}{n \ln^2 n}$。由积分判别法可知,该级数收敛,因为 $$ \int_2^{\infty} \frac{1}{x \ln^2 x} \, dx = \left[ -\frac{1}{\ln x} \right]_2^{\infty} = \frac{1}{\ln 2} < \infty. $$ 现在取 $a_n = \frac{1}{n \ln^2 n}$($n\ge 2$)。对任意 $p>1$,考虑极限 $$ \lim_{n\to\infty} n^p a_n = \lim_{n\to\infty} \frac{n^p}{n \ln^2 n} = \lim_{n\to\infty} \frac{n^{p-1}}{\ln^2 n}. $$ 由于 $p-1>0$,分子 $n^{p-1}$ 的增长速度远快于分母 $\ln^2 n$,因此该极限为 $+\infty$,即极限不存在(无穷大不属于有限极限)。从而对任意 $p>1$,$\lim n^p a_n$ 都不存在有限值,故(C)不成立。 注意:反例中的 $a_n$ 必须为正项级数,且收敛速度“足够慢”,使得乘以 $n^p$ 后仍发散到无穷。$\frac{1}{n \ln^2 n}$ 正是这样的典型例子。
公式:$$\sum_{n=2}^{\infty} \frac{1}{n \ln^2 n} \text{ 收敛,但 } \lim_{n\to\infty} n^p \cdot \frac{1}{n \ln^2 n} = \lim_{n\to\infty} \frac{n^{p-1}}{\ln^2 n} = +\infty \quad (\forall p>1)$$
提示:构造反例时,选择收敛速度最慢的级数(如 $1/(n\ln^2 n)$)来检验命题。
步骤 5/5
目标:综合判断,确定正确选项
综合前四步的分析,我们逐一验证了每个选项的正确性。 首先,对于选项(A):由题设条件,$X$与$Y$服从同一分布且$P\{|X|>1\}=0$,但仅凭这两个条件无法推出$P\{X=Y\}=1$。反例:取$X$与$Y$独立同分布,$P\{X=1\}=P\{X=-1\}=0.5$,则$P\{|X|>1\}=0$,但$P\{X=Y\}=0.5$,不等于1。故(A)错误。 其次,对于选项(B):同样利用上述反例,$P\{X=Y\}=0.5$,而$P\{X=-Y\}=0.5$,两者相等,但并非$P\{X=Y\}=1$。实际上,$P\{X=Y\}=P\{X=-Y\}$不一定成立,且即使成立也不等于1。故(B)错误。 再次,对于选项(C):考虑$X$与$Y$独立同分布,$P\{X=1\}=P\{X=-1\}=0.5$,则$P\{X=Y\}=0.5$,$P\{X=-Y\}=0.5$,$P\{X=Y\}+P\{X=-Y\}=1$,但$P\{X=Y\}=0.5$,不等于1。故(C)错误。 最后,对于选项(D):由题设$P\{|X|>1\}=0$,可知$X$与$Y$的取值几乎必然在$[-1,1]$内。又因为$X$与$Y$同分布,且$X$与$Y$的相关系数$\rho_{XY}=1$,根据相关系数的性质,当$\rho_{XY}=1$时,存在常数$a>0$和$b$使得$Y=aX+b$几乎必然成立。结合$X$与$Y$同分布,可推出$a=1$且$b=0$,从而$P\{X=Y\}=1$。故(D)正确。 综上所述,只有选项(D)符合题意。因此,本题的正确选项为(D)。
公式:\rho_{XY}=1 \Rightarrow Y=aX+b\ (a>0)\ \text{a.s.}
提示:相关系数为1是强条件,结合同分布可推出几乎必然相等。

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