方企勤 第四章 级 数 第6题

教材习题

📝 题目

例 6 讨论下列级数的收敛性:

(1) $\mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }{\left( -1\right) }^{n - 1}\frac{\ln n}{\sqrt{n}}$ ; (2) $\mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }{\left( -1\right) }^{n - 1}\frac{\left( {{2n} - 1}\right) !!}{\left( {2n}\right) !!}$ .

💡 答案解析

解 (1) 设 $f\left( x\right)$ 是 $\ln x/\sqrt{x}$ ,则

$$ {f}^{\prime }\left( x\right) = \frac{2 - \ln x}{{2x}\sqrt{x}} < 0\;\left( {x > {\mathrm{e}}^{2}}\right) . $$

因此当 $x > 9$ 时, $f\left( x\right)$ 单调递减,即得序列 $\left\{ {\ln n/\sqrt{n}}\right\}$ 单调递减. 又由洛必达法则, 有

$$ \mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}\frac{\ln n}{\sqrt{n}} = \mathop{\lim }\limits_{{x \rightarrow + \infty }}\frac{\ln x}{\sqrt{x}} = \mathop{\lim }\limits_{{x \rightarrow + \infty }}\frac{1/x}{1/2\sqrt{x}} = 0. $$

由莱布尼茨判别法知原级数收敛.

(2)为证明此级数收敛, 根据莱布尼茨判别法, 只要证序列

$$ {a}_{n}\overset{\text{ 记为 }}{ = }\frac{\left( {{2n} - 1}\right) !!}{\left( {2n}\right) !!}\;\left( {n = 1,2,3,\cdots }\right) $$

单调下降并且趋于零. 由

$$ {a}_{n + 1} = \frac{\left( {{2n} + 1}\right) !!}{\left( {{2n} + 2}\right) !!} = \frac{\left( {{2n} + 1}\right) \left( {{2n} - 1}\right) !!}{\left( {{2n} + 2}\right) \left( {2n}\right) !!} $$

$$ < \frac{\left( {{2n} - 1}\right) !!}{\left( {2n}\right) !!} = {a}_{n}, $$

即可看出 ${a}_{n}$ 单调下降. 为了证明 ${a}_{n} \rightarrow 0\left( {n \rightarrow \infty }\right)$ ,有下面几种证法.

证法 1 根据基本不等式

$$ \frac{a}{b} < \frac{a + 1}{b + 1}\;\left( {b > a > 0}\right) , $$

显然

$$ {a}_{n} = \frac{1}{2} \cdot \frac{3}{4} \cdot \frac{5}{6} \cdot \cdots \cdot \frac{{2n} - 1}{2n} $$

$$ \leq \frac{2}{3} \cdot \frac{4}{5} \cdot \frac{6}{7} \cdot \cdots \cdot \frac{2n}{{2n} + 1} = \frac{1}{{a}_{n}\left( {{2n} + 1}\right) }. $$

由此 $0 < {a}_{n} \leq 1/\sqrt{{2n} + 1}$ ,即得 $\displaystyle{\mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{a}_{n} = 0}$ .

证法 $2\;{a}_{n} = \left( {1 - \frac{1}{2}}\right) \left( {1 - \frac{1}{4}}\right) \cdots \left( {1 - \frac{1}{2n}}\right) = {\mathrm{e}}^{\mathop{\sum }\limits_{{k = 1}}^{\infty }\ln \left( {1 - \frac{1}{2k}}\right) }$ . 又

$$ \ln \left( {1 - \frac{1}{2k}}\right) \sim - \frac{1}{2k}\;\left( {k \rightarrow + \infty }\right) , $$

而级数 $\displaystyle{- \mathop{\sum }\limits_{{k = 1}}^{\infty }\frac{1}{2k}}$ 发散,故

$$ \mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}\mathop{\sum }\limits_{{k = 1}}^{n}\ln \left( {1 - \frac{1}{2k}}\right) = - \infty $$

从而

$$ \mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{a}_{n} = \mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{\mathrm{e}}^{\mathop{\sum }\limits_{{k = 1}}^{\infty }\ln \left( {1 - \frac{1}{2k}}\right) } = 0. $$

证法 3 由瓦里斯公式:

$$ \mathop{\lim }\limits_{{n \rightarrow \infty }}{\left\lbrack \frac{\left( {2n}\right) !!}{\left( {{2n} - 1}\right) !!}\right\rbrack }^{2}\frac{1}{{2n} + 1} = \frac{\pi }{2}, $$

可知 ${a}_{n} \sim \sqrt{\frac{2}{\pi }} \cdot \frac{1}{\sqrt{{2n} + 1}}\left( {n \rightarrow \infty }\right)$ ,即得 ${a}_{n} \rightarrow 0\left( {n \rightarrow \infty }\right)$ .

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:判断级数(1)的收敛性
设 f(x)=ln x/√x,求导得 f'(x)=(2-ln x)/(2x√x),当 x>e^2 时 f'(x)<0,因此当 x>9 时 f(x) 单调递减,即序列 {ln n/√n} 单调递减。又由洛必达法则,lim_{n→∞} ln n/√n = 0。由莱布尼茨判别法知原级数收敛。
公式:f'(x) = (2-\ln x)/(2x\sqrt{x})
提示:注意验证单调递减和极限为零的条件。
步骤 2/5
目标:判断级数(2)的收敛性
根据莱布尼茨判别法,需证序列 a_n = ((2n-1)!!)/((2n)!!) 单调下降且趋于零。由 a_{n+1} = ((2n+1)!!)/((2n+2)!!) = ((2n+1)(2n-1)!!)/((2n+2)(2n)!!) < ((2n-1)!!)/((2n)!!) = a_n,得单调下降。下面给出三种证法证明 a_n→0。
公式:a_{n+1} = \frac{(2n+1)!!}{(2n+2)!!} = \frac{(2n+1)(2n-1)!!}{(2n+2)(2n)!!}
提示:注意双阶乘的定义。
步骤 3/5
目标:证法1:利用不等式放缩
由基本不等式 a/b < (a+1)/(b+1) (b>a>0),得 a_n = 1/2·3/4·5/6·...·(2n-1)/(2n) ≤ 2/3·4/5·6/7·...·(2n)/(2n+1) = 1/(a_n(2n+1)),从而 0 < a_n ≤ 1/√(2n+1),故 lim a_n = 0。
公式:a_n \leq \frac{1}{\sqrt{2n+1}}
提示:注意不等式的方向。
步骤 4/5
目标:证法2:利用对数级数发散
a_n = ∏_{k=1}^n (1-1/(2k)) = exp(∑_{k=1}^n ln(1-1/(2k)))。由于 ln(1-1/(2k)) ~ -1/(2k) (k→∞),而 ∑ 1/(2k) 发散,故 ∑ ln(1-1/(2k)) → -∞,从而 a_n → 0。
公式:\ln\left(1-\frac{1}{2k}\right) \sim -\frac{1}{2k}
提示:利用等价无穷小和级数发散性。
步骤 5/5
目标:证法3:利用瓦里斯公式
由瓦里斯公式:lim_{n→∞} [(2n)!!/(2n-1)!!]^2 * 1/(2n+1) = π/2,得 a_n ~ √(2/π) * 1/√(2n+1),故 a_n → 0。
公式:\lim_{n\to\infty}\left[\frac{(2n)!!}{(2n-1)!!}\right]^2\frac{1}{2n+1} = \frac{\pi}{2}
提示:瓦里斯公式是重要极限。

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