2016年考研数学三第4题

选择题 · 4分

📝 题目

级数 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\left(\displaystyle\frac{1}{\sqrt{n}}-\displaystyle\frac{1}{\sqrt{n+1}}\right) \sin (n+k)(k$ 为常数)( )

A
绝对收敛。
B
条件收敛。
C
发散.
D
收敛性与 $k$ 有关。

💡 答案解析

**答案**: (A)。

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**解析**:

$\left|\left(\displaystyle\frac{1}{\sqrt{n}}-\displaystyle\frac{1}{\sqrt{n+1}}\right) \sin (n+k)\right| \leqslant \displaystyle\frac{1}{\sqrt{n}}-\displaystyle\frac{1}{\sqrt{n+1}}$ , 对级数 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\left(\displaystyle\frac{1}{\sqrt{n}}-\displaystyle\frac{1}{\sqrt{n+1}}\right)$ ,

$$ S_{n}=\left(1-\frac{1}{\sqrt{2}}\right)+\left(\frac{1}{\sqrt{2}}-\frac{1}{\sqrt{3}}\right)+\cdots+\left(\frac{1}{\sqrt{n}}-\frac{1}{\sqrt{n+1}}\right)=1-\frac{1}{\sqrt{n+1}} $$

由 $\displaystyle\lim _{n \rightarrow \infty} S_{n}=1$ 得级数 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\left(\displaystyle\frac{1}{\sqrt{n}}-\displaystyle\frac{1}{\sqrt{n+1}}\right)$ 收敛, 由正项级数比较审玫法得 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\left|\left(\displaystyle\frac{1}{\sqrt{n}}-\displaystyle\frac{1}{\sqrt{n+1}}\right) \sin (n+k)\right|$ 收敛, 即级数 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}\left(\displaystyle\frac{1}{\sqrt{n}}-\displaystyle\frac{1}{\sqrt{n+1}}\right) \sin (n+k)$ 绝对收敛,应选(A)。

📋 详细解题步骤

步骤 2/4
目标:分析比较级数的收敛性
首先,我们考虑正项级数 $\sum_{n=1}^{\infty} \left( \frac{1}{\sqrt{n}} - \frac{1}{\sqrt{n+1}} \right)$。为了判断其收敛性,我们写出其部分和 $S_n$ 的表达式: $$S_n = \sum_{k=1}^{n} \left( \frac{1}{\sqrt{k}} - \frac{1}{\sqrt{k+1}} \right)$$ 观察每一项,发现可以裂项相消: $$S_n = \left( \frac{1}{\sqrt{1}} - \frac{1}{\sqrt{2}} \right) + \left( \frac{1}{\sqrt{2}} - \frac{1}{\sqrt{3}} \right) + \cdots + \left( \frac{1}{\sqrt{n}} - \frac{1}{\sqrt{n+1}} \right)$$ 中间项全部抵消,只剩下首项和末项: $$S_n = 1 - \frac{1}{\sqrt{n+1}}$$ 现在,我们考察部分和数列 $\{S_n\}$ 的极限: $$\lim_{n \to \infty} S_n = \lim_{n \to \infty} \left( 1 - \frac{1}{\sqrt{n+1}} \right) = 1 - 0 = 1$$ 由于部分和数列收敛于有限值 $1$,根据级数收敛的定义,原级数 $\sum_{n=1}^{\infty} \left( \frac{1}{\sqrt{n}} - \frac{1}{\sqrt{n+1}} \right)$ 收敛,且其和为 $1$。 这一结论将用于后续步骤中与待判断级数进行比较,从而判断原题中给定级数的收敛性。
公式:$$S_n = \sum_{k=1}^{n} \left( \frac{1}{\sqrt{k}} - \frac{1}{\sqrt{k+1}} \right) = 1 - \frac{1}{\sqrt{n+1}}$$
提示:裂项相消后直接求部分和极限,避免使用比值或根值判别法。
步骤 3/4
目标:求部分和极限
由前一步得到部分和表达式 $S_n = 1 - \frac{1}{n+1}$。现在求当 $n \to \infty$ 时 $S_n$ 的极限: $$ \lim_{n \to \infty} S_n = \lim_{n \to \infty} \left(1 - \frac{1}{n+1}\right). $$ 由于 $\frac{1}{n+1} \to 0$($n \to \infty$),因此 $$ \lim_{n \to \infty} S_n = 1 - 0 = 1. $$ 所以部分和数列 $\{S_n\}$ 收敛于 $1$,即 $\lim_{n \to \infty} S_n = 1$。根据正项级数收敛的定义,部分和数列有极限等价于级数收敛,故原正项级数 $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n(n+1)}$ 收敛,且其和为 $1$。
公式:$$\lim_{n\to\infty} S_n = \lim_{n\to\infty}\left(1-\frac{1}{n+1}\right)=1$$
提示:直接代入极限运算,注意 $\frac{1}{n+1}\to 0$,即可快速得到结果。
步骤 4/4
目标:应用比较审敛法得出结论
由前一步骤可知,对于原级数 $\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n-1} \frac{\ln n}{n^k}$,我们已将其通项取绝对值得到正项级数 $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{\ln n}{n^k}$,并利用不等式 $\frac{\ln n}{n^k} \le \frac{1}{n^{k-\varepsilon}}$(对任意 $\varepsilon>0$ 且 $n$ 充分大成立)进行放缩。 现在应用比较审敛法:取 $\varepsilon = \frac{1}{2}$,则当 $k>1$ 时,$k-\frac{1}{2}>1$,此时 $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{k-\frac{1}{2}}}$ 是 $p$ 级数且 $p>1$,故收敛。由比较审敛法,正项级数 $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{\ln n}{n^k}$ 收敛。 因此,原级数 $\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n-1} \frac{\ln n}{n^k}$ 的绝对值级数收敛,根据绝对收敛的定义,原级数绝对收敛。 该结论与 $k$ 的具体取值无关(只要 $k>1$ 即可),故选项 (A) 正确。 最终答案:选 (A)。
公式:$$\sum_{n=1}^{\infty} \left| (-1)^{n-1} \frac{\ln n}{n^k} \right| = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{\ln n}{n^k} \le \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{k-\varepsilon}} \quad (\varepsilon>0, n\text{充分大})$$
提示:比较审敛法关键是找到合适的比较级数,常用p级数作为比较对象。

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