中册 6.1 数项级数的敛散性 第2题

数学分析早年真题

📝 题目

2.讨论下列级数的敛散性. (1)$\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \ln \left(\cos \frac{1}{n}\right)$ . (2)$\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \ln \left(\cos \frac{\pi}{n}\right)$ . (3)$\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \ln ^{p}\left(\sec \frac{\pi}{n}\right)$ . (4)$\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}\left(1-\cos \frac{x}{n}\right)$ .(广西师大2002,湘潭大学2005( $x=\pi$ )) (5)$\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}\left(1-\cos \frac{1}{n}\right)^{\alpha}$ .(浙江工商 2014) (6)$\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} n\left(1-\cos \frac{1}{n}\right)$ . (7)$\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}\left(\frac{1}{n}-\sin \frac{1}{n}\right)^{\alpha}$ . (8)$\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(1+n)^{n}}{n^{n+p}},(p>0)$ . (9)$\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{\sqrt[n]{n}-1}{n^{\alpha}}$ . (10)$\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \ln (n+1) \sin \frac{1}{n^{\beta}},(\beta>0)$ . (11)$\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}\left(\frac{1}{n}-\ln \left(1+\frac{1}{n}\right)\right)$ . (12)$\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}\left(\frac{1}{\sqrt{n}}-\sqrt{\ln \left(1+\frac{1}{n}\right)}\right)$ .

💡 答案解析

\section*{解题过程:} (1)因 $\displaystyle -\ln \cos \frac{1}{n}=-\ln \left(1-2 \sin ^{2} \frac{1}{2 n}\right) \sim \frac{1}{2 n^{2}}(n \rightarrow \infty), \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{2 n^{2}}$ 收敛,故 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}\left(-\ln \cos \frac{1}{n}\right)$ 收敛,从而 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \ln \left(\cos \frac{1}{n}\right)$ 收玫。 (2)由于 $\displaystyle \lim _{n \rightarrow \infty} n^{2}\left(-\ln \left(\cos \frac{\pi}{n}\right)\right)=\lim _{n \rightarrow \infty} n^{2}\left(1-\cos \frac{\pi}{n}\right)=\lim _{n \rightarrow \infty} n^{2} \cdot \frac{\pi^{2}}{2 n^{2}}=\frac{\pi^{2}}{2}$ ,且 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{2}}$ 收敛。由比较判别法,级数 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \ln \left(\cos \frac{\pi}{n}\right)$ 收玫。 (3)$\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}\left(\ln \frac{1}{\cos \frac{\pi}{n}}\right)^{p}=\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{p} \ln ^{p}\left(\cos \frac{\pi}{n}\right)$ . $$ \ln ^{p}\left(\cos \frac{\pi}{n}\right)=\ln ^{p}\left(1+\cos \frac{\pi}{n}-1\right) \sim\left(\cos \frac{\pi}{n}-1\right)^{p} \sim \frac{(-1)^{p} \pi^{2 p}}{2^{p}} \frac{1}{n^{2 p}} $$ 其与 $\displaystyle \frac{1}{n^{2 p}}$ 是同阶无穷小.因此当 $\displaystyle p \leqslant \frac{1}{2}$ 时,原级数发散,当 $\displaystyle p>\frac{1}{2}$ 时,原级数收玫. (4)由于 $\displaystyle 1-\cos \frac{x}{n} \sim x^{2} \frac{1}{2 n^{2}}$ ,而正项级数 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{2}}$ 收敛,故级数 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}\left(1-\cos \frac{x}{n}\right)$ 收敛。 (5)由于 $\displaystyle \left(1-\cos \frac{1}{n}\right)^{\alpha} \sim \frac{1}{2^{\alpha} n^{2 \alpha}}$ ,故当 $\displaystyle \alpha \leqslant \frac{1}{2}$ 时级数 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}\left(1-\cos \frac{1}{n}\right)^{\alpha}$ 发散,当 $\displaystyle \alpha>\frac{1}{2}$ 时,级数 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}\left(1-\cos \frac{1}{n}\right)^{a}$ 收玫。 (6)由于 $\displaystyle \lim _{n \rightarrow \infty} n n\left(1-\cos \frac{1}{n}\right)=\lim _{n \rightarrow \infty} n n \frac{1}{2 n^{2}}=\frac{1}{2}$ ,且 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n}$ 发散,故 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} n\left(1-\cos \frac{1}{n}\right)$ 发散。 (7)由 $\displaystyle \sin x=x-\frac{1}{3!} x^{3}+o\left(x^{4}\right)$ 得 $$ \frac{1}{n}-\sin \frac{1}{n}=\frac{1}{n}-\left(\frac{1}{n}-\frac{1}{6 n^{3}}+o\left(\frac{1}{n^{4}}\right)\right)=\frac{1}{6 n^{3}}+o\left(\frac{1}{n^{4}}\right) $$ 所以 $\displaystyle \left(\frac{1}{n}-\sin \frac{1}{n}\right)^{\alpha} \sim\left(\frac{1}{6 n^{3}}\right)^{\alpha}=\frac{1}{6^{\alpha} n^{3 \alpha}}$ .因为 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{p}}(p>1)$ 收玫,于是当且仅当 $\displaystyle \alpha>\frac{1}{3}$ 时,级数 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}\left(\frac{1}{n}-\sin \frac{1}{n}\right)^{\alpha}$ 收敛. (8)由于 $\displaystyle \frac{(1+n)^{n}}{n^{n+p}}=\frac{1}{n^{p}}\left(1+\frac{1}{n}\right)^{n} \sim \mathrm{e} \frac{1}{n^{p}}$ ,所以当 $p>1$ 时级数收玫,当 $0

0$ 时,$\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{\ln n}{n^{\alpha+1}}$ 收玫,当 $\alpha \leqslant 0$ 时,级数 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{\ln n}{n^{\alpha+1}}$ 发散,所以级数 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{\sqrt[n]{n}-1}{n^{\alpha}}$ 在 $\alpha>0$ 时收敛,在 $\alpha \leqslant 0$ 时发散. (10) $\displaystyle \ln (n+1) \cdot \sin \frac{1}{n^{\beta}} \sim \frac{\ln (n+1)}{n^{\beta}}$ .因为 $\displaystyle \lim _{n \rightarrow \infty} n^{\beta} \cdot \frac{\ln (n+1)}{n^{\beta}}=\lim _{n \rightarrow \infty} \ln (n+1)=+\infty$ ,故当 $0<\beta \leqslant 1$ 时,由级数 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{\beta}}$ 发散得 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \ln (n+1) \cdot \sin \frac{1}{n^{\beta}}$ 发散; 当 $\beta>1$ 时,$\exists \alpha>0$ ,使 $\beta-\alpha>1$ .因 $\displaystyle \lim _{n \rightarrow \infty} n^{\beta-\alpha} \frac{\ln (n+1)}{n^{\beta}}=\lim _{n \rightarrow \infty} \frac{\ln (n+1)}{n^{\alpha}}=0$ ,且级数 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{\beta-\alpha}}$ 收玫,所以 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \ln (n+1) \cdot \sin \frac{1}{n^{\beta}}$ 收玫。 (11)因为 $\displaystyle \frac{1}{n}-\ln \left(1+\frac{1}{n}\right) \sim \frac{1}{2 n^{2}},(n \rightarrow \infty)$ ,而 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{2}}$ 收敛,由比较判别法,$\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}\left[\frac{1}{n}-\ln \left(1+\frac{1}{n}\right)\right]$ 收敛。 另解:由于 $\displaystyle S_{n}=\sum_{k=1}^{n}\left(\frac{1}{k}-\ln \left(1+\frac{1}{k}\right)\right)=\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k}-\ln (n+1)=\sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k}-\ln n+\ln \frac{n}{n+1} \rightarrow c(n \rightarrow \infty)$ ,其中 $c$为欧拉常数,所以原级数收玫. (12)由于 $$ \sqrt{\ln \left(1+\frac{1}{n}\right)}=\sqrt{\frac{1}{n}-\frac{1}{2} \frac{1}{n^{2}}+o\left(\frac{1}{n^{2}}\right)}=\frac{1}{\sqrt{n}} \sqrt{1-\frac{1}{2 n}+o\left(\frac{1}{n}\right)}=\frac{1}{\sqrt{n}}\left[1+\frac{1}{2}\left(-\frac{1}{2 n}\right)+o\left(\frac{1}{n}\right)\right] $$ 所以 $\displaystyle \frac{1}{\sqrt{n}}-\sqrt{\ln \left(1+\frac{1}{n}\right)} \sim \frac{1}{4} \frac{1}{n \sqrt{n}}$ ,从而级数 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty}\left(\frac{1}{\sqrt{n}}-\sqrt{\ln \left(1+\frac{1}{n}\right)}\right)$ 收敛。

📋 详细解题步骤

暂无解题步骤

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