方企勤 第四章 级 数 第4题

教材习题

📝 题目

例 4 判别下列级数的收敛性:

(1) $\mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }\frac{1}{\ln \left( {n + 1}\right) }\sin \frac{1}{n}$ ;

(2) $\mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }\left( {\sqrt[n]{a} - \sqrt{1 + \frac{1}{n}}}\right) \left( {a > 0}\right)$ .

💡 答案解析

解 (1) $\frac{1}{\ln \left( {n + 1}\right) }\sin \frac{1}{n} \sim \frac{1}{n\ln \left( {n + 1}\right) } \sim \frac{1}{n\ln n}\left( {n \rightarrow \infty }\right)$ ,因此,由定理 5 便知 $\displaystyle{\mathop{\sum }\limits_{{n = 2}}^{\infty }\frac{1}{n\ln n}}$ 发散 $\Rightarrow \mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }\frac{1}{\ln \left( {n + 1}\right) }\sin \frac{1}{n}$ 发散.

(2) $\sqrt[n]{a} - \sqrt{1 + \frac{1}{n}} = {\mathrm{e}}^{\frac{1}{n}\ln a} - {\left( 1 + \frac{1}{n}\right) }^{\frac{1}{2}}$

$$ = 1 + \frac{1}{n}\ln a + \frac{{\left( \ln a\right) }^{2}}{2{n}^{2}} + o\left( \frac{1}{{n}^{2}}\right) - \left\lbrack {1 + \frac{1}{2n} - \frac{1}{8{n}^{2}} + o\left( \frac{1}{{n}^{2}}\right) }\right\rbrack $$

$$ = \left( {\ln a - \frac{1}{2}}\right) \frac{1}{n} + \left\lbrack {\frac{{\left( \ln a\right) }^{2}}{2} + \frac{1}{8}}\right\rbrack \cdot \frac{1}{{n}^{2}} + o\left( \frac{1}{{n}^{2}}\right) . $$

当 $a \neq {\mathrm{e}}^{\frac{1}{2}}$ 时, $\sqrt[n]{a} - \sqrt{1 + \frac{1}{n}} \sim \left( {\ln a - \frac{1}{2}}\right) \frac{1}{n} \Rightarrow$ 级数发散;

当 $a = {\mathrm{e}}^{\frac{1}{2}}$ 时, $\sqrt[n]{a} - \sqrt{1 + \frac{1}{n}} \sim \frac{1}{4{n}^{2}} \Rightarrow$ 级数收敛.

📋 详细解题步骤

步骤 1/2
目标:判断级数(1)的收敛性
当n→∞时,sin(1/n) ~ 1/n,因此通项 ~ 1/(n ln(n+1)) ~ 1/(n ln n)。由积分判别法或比较判别法,级数∑ 1/(n ln n)发散,故原级数发散。
公式:sin(1/n) ~ 1/n, 1/(ln(n+1)) ~ 1/ln n
提示:使用等价无穷小替换和比较判别法
步骤 2/2
目标:判断级数(2)的收敛性
将通项展开:a^(1/n) = e^((ln a)/n) = 1 + (ln a)/n + (ln a)^2/(2n^2) + o(1/n^2);√(1+1/n) = (1+1/n)^(1/2) = 1 + 1/(2n) - 1/(8n^2) + o(1/n^2)。相减得通项 = (ln a - 1/2)/n + [(ln a)^2/2 + 1/8]/n^2 + o(1/n^2)。当a≠e^(1/2)时,通项 ~ (ln a - 1/2)/n,级数发散;当a=e^(1/2)时,通项 ~ 1/(4n^2),级数收敛。
公式:a^(1/n) = e^((ln a)/n), (1+1/n)^(1/2) 的泰勒展开
提示:利用泰勒展开到二阶,注意系数比较

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