方企勤 第四章 级 数 第3题

教材习题

📝 题目

例 3 判别下列级数的收敛性:

(1) $\displaystyle{\mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }\frac{1}{{3}^{\ln n}}}$ (2) $\displaystyle{\mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }\frac{1}{{3}^{\sqrt{n}}}}$ .

💡 答案解析

解 (1) 改写 ${3}^{\ln n} = {\mathrm{e}}^{\ln n \cdot \ln 3} = {n}^{\ln 3}$ ,并记 $p = \ln 3$ ,则原级数 $=$ $\mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }\frac{1}{{n}^{p}}\left( {p > 1}\right)$ ,从而原级数收敛.

(2)因为 $\displaystyle{\mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}\ln n/\sqrt{n} = 0}$ ,所以 $\exists {n}_{0}$ ,当 $n \geq {n}_{0}$ 时, $\ln n < \sqrt{n}$ , 从而

$$ \frac{1}{{3}^{\sqrt{n}}} < \frac{1}{{3}^{\ln n}}\;\left( {n \geq {n}_{0}}\right) . $$

由比较判别法 (利用 (1) 的结果), 知原级数收敛.

又解 用比较判别法的极限形式. 设 ${a}_{n} = 1/{3}^{\sqrt{n}},{b}_{n} = 1/{n}^{2}$ . 已知级数 $\displaystyle{\mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }{b}_{n}}$ 收敛,又由洛必达法则,

$$ \mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}\frac{{a}_{n}}{{b}_{n}} = \mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}\frac{{n}^{2}}{{3}^{\sqrt{n}}} = \mathop{\lim }\limits_{{x \rightarrow + \infty }}\frac{{x}^{2}}{{3}^{\sqrt{x}}}\overset{\text{ 令 }x = {t}^{2}}{ = }\mathop{\lim }\limits_{{t \rightarrow + \infty }}\frac{{t}^{4}}{{3}^{t}} $$

$$ = \mathop{\lim }\limits_{{t \rightarrow + \infty }}\frac{4{t}^{3}}{{3}^{t} \cdot \ln 3} = \cdots = \mathop{\lim }\limits_{{t \rightarrow + \infty }}\frac{4!}{{3}^{t}{\left( \ln 3\right) }^{4}} = 0 < + \infty , $$

从而原级数收敛.

📋 详细解题步骤

步骤 1/3
目标:改写通项,化为p-级数
将3^{ln n}改写为e^{ln n * ln 3} = n^{ln 3},记p=ln 3>1,则原级数化为∑ 1/n^p,由p-级数收敛性知原级数收敛。
公式:3^{ln n} = n^{ln 3}
提示:利用指数和对数恒等式a^{log_b c}=c^{log_b a}。
步骤 2/3
目标:利用比较判别法(与(1)比较)
由于lim_{n→∞} ln n/√n = 0,存在N使得当n≥N时ln n < √n,从而1/3^{√n} < 1/3^{ln n}。由(1)知∑ 1/3^{ln n}收敛,根据比较判别法,原级数收敛。
公式:ln n < √n ⇒ 3^{ln n} < 3^{√n} ⇒ 1/3^{√n} < 1/3^{ln n}
提示:比较判别法要求不等式方向一致。
步骤 3/3
目标:利用比较判别法的极限形式(另一种解法)
取b_n=1/n^2,则∑ b_n收敛。计算极限lim_{n→∞} (1/3^{√n})/(1/n^2) = lim_{n→∞} n^2/3^{√n}。令x=√n,则极限化为lim_{t→∞} t^4/3^t,多次使用洛必达法则得极限为0,因此原级数收敛。
公式:lim_{n→∞} n^2/3^{√n} = 0
提示:极限形式:若lim a_n/b_n = c (0≤c<∞)且∑ b_n收敛,则∑ a_n收敛。

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