2004年考研数学一第9题

选择题 · 4分

📝 题目

设 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_{n}$ 为正项级数。下列结论中正确的是

A
若 $\displaystyle \lim _{n \rightarrow \infty} n a_{n}=0$ ,则级数 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} a_{n}$ 收敛。
B
若存在非零常数 $\lambda$ ,使得 $\displaystyle \lim _{n \rightarrow \infty} n a_{n}=\lambda$ ,则级数 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} a_{n}$ 发散.
C
若级数 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} a_{n}$ 收敛,则 $\displaystyle \lim _{n \rightarrow \infty} n^{2} a_{n}=0$ .
D
若级数 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} a_{n}$ 发散,则存在非零常数 $\lambda$ ,使得 $\displaystyle \lim _{n \rightarrow \infty} n a_{n}=\lambda$ .

💡 答案解析

**答案**: (B).

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**解析**:

方法一 取 $a_{n}=\displaystyle\frac{1}{n \ln (n+1)}$ ,显然 $\displaystyle\lim _{n \rightarrow \infty} n a_{n}=0$ ,但级数 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_{n}=\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \displaystyle\frac{1}{n \ln (n+1)}$ 发散,(A)不对; 取 $a_{n}=\displaystyle\frac{1}{n^{\displaystyle\frac{3}{2}}}$ ,级数 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_{n}=\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \displaystyle\frac{1}{n^{\displaystyle\frac{3}{2}}}$ 收敛,但 $\displaystyle\lim _{n \rightarrow \infty} n^{2} a_{n}=\displaystyle\lim _{n \rightarrow \infty} \sqrt{n}=+\infty$ ,(C)不对; 取 $a_{n}=\displaystyle\frac{1}{\ln (n+1)}$ ,级数 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_{n}=\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \displaystyle\frac{1}{\ln (n+1)}$ 发散,但 $\displaystyle\lim _{n \rightarrow \infty} n a_{n}=+\infty$ ,(D)不对,应选(B)。 方法二 设 $\displaystyle\lim _{n \rightarrow \infty} n a_{n}=\lambda\gt 0$ ,取 $\varepsilon_{0}=\displaystyle\frac{\lambda}{2}\gt 0$ ,因为 $\displaystyle\lim _{n \rightarrow \infty} n a_{n}=\lambda$ ,所以存在 $N$ ,当 $n\gt N$ 时, $\left|n a_{n}-\lambda\right|\lt \displaystyle\frac{\lambda}{2}$ ,于是 $n a_{n}\gt \displaystyle\frac{\lambda}{2}$ 或 $a_{n}\gt \displaystyle\frac{\lambda}{2 n}$ . 而 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \displaystyle\frac{\lambda}{2 n}$ 发散,由正项级数的比较审玫法得 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} a_{n}$ 发散,应选(B)。

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:分析选项(A)
选项(A)的命题为:若 $\lim n a_n = 0$,则级数 $\sum a_n$ 收敛。我们需要判断该命题是否正确。 构造反例:取 $a_n = \frac{1}{n \ln(n+1)}$,其中 $n \geq 1$。首先验证 $\lim n a_n = 0$: $$ \lim_{n \to \infty} n \cdot \frac{1}{n \ln(n+1)} = \lim_{n \to \infty} \frac{1}{\ln(n+1)} = 0. $$ 因此条件 $\lim n a_n = 0$ 成立。 其次判断级数 $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n \ln(n+1)}$ 的敛散性。由于 $\ln(n+1) \sim \ln n$(当 $n \to \infty$),该级数与 $\sum \frac{1}{n \ln n}$ 具有相同的敛散性。由积分判别法,考虑广义积分: $$ \int_{2}^{\infty} \frac{1}{x \ln x} \, dx = \int_{2}^{\infty} \frac{d(\ln x)}{\ln x} = \left. \ln(\ln x) \right|_{2}^{\infty} = \infty. $$ 积分发散,故级数 $\sum \frac{1}{n \ln n}$ 发散,从而 $\sum \frac{1}{n \ln(n+1)}$ 也发散。 因此,存在满足 $\lim n a_n = 0$ 但级数发散的数列,故选项(A)的命题错误,应排除(A)。
公式:\lim_{n \to \infty} n a_n = 0 \quad \text{但} \quad \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n \ln(n+1)} \text{发散}
提示:构造反例时常用 $a_n = \frac{1}{n \ln n}$ 或其变体,注意积分判别法的使用条件。
步骤 2/5
目标:分析选项(B)
选项(B)的命题为:若$\lim n a_n = \lambda \neq 0$,则$\sum a_n$发散。下面对该命题进行判断。 由极限定义,对$\varepsilon = \frac{|\lambda|}{2} > 0$,存在正整数$N$,使得当$n > N$时,有$|n a_n - \lambda| < \frac{|\lambda|}{2}$。由此可得$n a_n > \lambda - \frac{|\lambda|}{2}$。由于$\lambda \neq 0$,不妨设$\lambda > 0$(若$\lambda < 0$,可类似讨论,或取绝对值处理),则$\lambda - \frac{\lambda}{2} = \frac{\lambda}{2}$,故$n a_n > \frac{\lambda}{2}$,即$a_n > \frac{\lambda}{2} \cdot \frac{1}{n}$。 考虑正项级数$\sum \frac{1}{n}$,它是发散的(调和级数)。由于当$n > N$时,$a_n > \frac{\lambda}{2} \cdot \frac{1}{n}$,而$\frac{\lambda}{2}$为非零常数,根据比较审敛法(比较判别法),若一个正项级数的通项大于一个发散级数的通项的常数倍,则该级数也发散。因此,$\sum a_n$发散。 注意:这里要求$a_n$的符号问题。若$\lambda < 0$,则$n a_n$趋于负常数,此时$a_n$为负,但级数发散的定义仍适用(通项不趋于0或部分和发散)。实际上,由$\lim n a_n = \lambda \neq 0$可知$\lim a_n = 0$,但发散性由比较判别法保证。因此,选项(B)正确。
公式:$$\lim_{n \to \infty} n a_n = \lambda \neq 0 \quad \Rightarrow \quad a_n > \frac{\lambda}{2} \cdot \frac{1}{n} \ (n \text{充分大})$$
提示:利用极限定义放缩出$a_n > \frac{C}{n}$,再与调和级数比较即可。
步骤 3/5
目标:分析选项(C)
分析选项(C):命题“若$\sum a_n$收敛,则$\lim n^2 a_n=0$”是否正确? 首先,该命题试图建立级数收敛性与通项衰减速度之间的关系。我们知道,若$\sum a_n$收敛,则通项$a_n$必须趋于0,但趋于0的速度可以很慢。例如,$p$-级数$\sum \frac{1}{n^p}$当$p>1$时收敛,此时$n^2 a_n = n^{2-p}$。若$p>2$,则$\lim n^2 a_n = 0$;但若$11$的$p$-级数,故收敛。但$\lim n^2 a_n = \lim n^2 \cdot \frac{1}{n^{3/2}} = \lim n^{1/2} = +\infty$,不趋于0。因此命题不成立,选项(C)错误。 注意:该反例说明即使级数收敛,$n^2 a_n$也可能趋于无穷大,因此不能由收敛性推出$n^2 a_n \to 0$。实际上,$\sum a_n$收敛只能保证$a_n = o(1)$,但无法保证$a_n = o(1/n^2)$。
公式:a_n = \frac{1}{n^{3/2}}, \quad \lim n^2 a_n = \lim n^{1/2} = +\infty
提示:构造反例时优先考虑p-级数,调整指数使级数收敛但n^2 a_n发散。
步骤 4/5
目标:分析选项(D)
选项(D)的命题为:若级数 $\sum a_n$ 发散,则 $\lim n a_n$ 存在且为非零常数。我们需要判断该命题是否正确。 首先,回忆级数发散与通项极限的关系。对于正项级数,若通项 $a_n$ 不趋于0,则级数必然发散;但反之,若 $a_n \to 0$,级数仍可能发散(例如调和级数)。选项(D)试图给出一个更强的结论:发散级数的通项乘以 $n$ 后极限存在且非零。 构造反例:取 $a_n = \frac{1}{\ln(n+1)}$,其中 $n \geq 1$。 第一步,判断级数 $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{\ln(n+1)}$ 的敛散性。由于 $\ln(n+1) < n$ 对充分大的 $n$ 成立,因此 $\frac{1}{\ln(n+1)} > \frac{1}{n}$。而调和级数 $\sum \frac{1}{n}$ 发散,由比较判别法知 $\sum \frac{1}{\ln(n+1)}$ 发散。 第二步,计算 $\lim n a_n = \lim \frac{n}{\ln(n+1)}$。当 $n \to \infty$ 时,分子 $n$ 的增长速度远快于分母 $\ln(n+1)$,因此极限为 $+\infty$,而不是一个有限非零常数。 因此,该反例表明:存在发散级数 $\sum a_n$,使得 $\lim n a_n$ 不存在有限非零常数(极限为无穷大)。故选项(D)的命题不成立。 注意:若将命题改为“若 $\sum a_n$ 发散,则 $\lim n a_n$ 不存在或为无穷大”,则可能成立,但原命题要求极限存在且为非零常数,这是错误的。 综上,选项(D)被排除。
公式:a_n = \frac{1}{\ln(n+1)}, \quad \lim_{n \to \infty} n a_n = \lim_{n \to \infty} \frac{n}{\ln(n+1)} = +\infty
提示:构造反例时,常用增长速度慢于$1/n$的正项序列,如$1/\ln n$。
步骤 5/5
目标:得出结论
综合前四步的分析,我们逐一验证了四个选项的正确性。 - 对于选项(A):由 $\frac{\partial^2 z}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 z}{\partial y^2} = 0$ 不能推出 $z$ 为常数,反例 $z = x^2 - y^2$ 满足方程但非常数,故(A)错误。 - 对于选项(B):若 $z = f(x,y)$ 在点 $(x_0,y_0)$ 处可微,则 $f_x(x_0,y_0)$ 与 $f_y(x_0,y_0)$ 均存在,且全增量可表示为线性主部加高阶无穷小。反之,若偏导数存在且连续,则可微;但仅偏导数存在不能保证可微。然而,题目中(B)的表述是“若 $f_x(x_0,y_0)$ 与 $f_y(x_0,y_0)$ 均存在,则 $z = f(x,y)$ 在点 $(x_0,y_0)$ 处可微”,这恰好是经典的反例情形。例如函数 $$f(x,y) = \begin{cases} \frac{xy}{x^2+y^2}, & (x,y) \neq (0,0) \\ 0, & (x,y) = (0,0) \end{cases}$$ 在 $(0,0)$ 处偏导数 $f_x(0,0)=0$,$f_y(0,0)=0$ 均存在,但函数在该点不连续,从而不可微。因此(B)错误。 - 对于选项(C):若 $z = f(x,y)$ 在点 $(x_0,y_0)$ 处可微,则 $f(x,y)$ 在该点连续,且偏导数存在。但反过来,偏导数存在不一定可微,故(C)错误。 - 对于选项(D):若 $z = f(x,y)$ 在点 $(x_0,y_0)$ 处偏导数 $f_x(x_0,y_0)$ 与 $f_y(x_0,y_0)$ 均存在,则 $f(x,y)$ 在该点不一定连续。例如上述反例中,偏导数存在但函数不连续,故(D)错误。 四个选项中,只有(B)的表述“若 $f_x(x_0,y_0)$ 与 $f_y(x_0,y_0)$ 均存在,则 $z = f(x,y)$ 在点 $(x_0,y_0)$ 处可微”是错误的,因为偏导数存在是可微的必要条件而非充分条件。题目要求选出“错误的命题”,因此正确选项为(B)。 最终答案验证:通过反例 $f(x,y) = \frac{xy}{x^2+y^2}$(补充定义 $f(0,0)=0$)在 $(0,0)$ 处偏导数为0,但函数不连续,故不可微,确认(B)错误。其他选项均为正确命题,故选择(B)。
公式:f(x,y) = \begin{cases} \frac{xy}{x^2+y^2}, & (x,y) \neq (0,0) \\ 0, & (x,y) = (0,0) \end{cases}
提示:记住经典反例:偏导存在但不可微,可微必连续且偏导存在。

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