方企勤 第四章 级 数 第8题

教材习题

📝 题目

证(1)把 $\displaystyle{\left\lbrack {{a}_{1}, + \infty }\right\rbrack}$ 用分点 ${a}_{1} = {S}_{1} < {S}_{2} < \cdots < {S}_{k} < {S}_{k + 1} < \cdots$ 分成无限个小区间,在 $\left\lbrack {{S}_{k},{S}_{k + 1}}\right\rbrack$ 上,因 ${S}_{k + 1} - {S}_{k} = {a}_{k + 1}$ 及 $1/x$ 单调性, 我们有

$$ \frac{{a}_{k + 1}}{{S}_{k}} \geq {\int }_{{S}_{k}}^{{S}_{k + 1}}\frac{\mathrm{d}x}{x}\;\left( {k = 1,2,\cdots }\right) , $$

从而

$$ \mathop{\sum }\limits_{{k = 1}}^{n}\frac{{a}_{k + 1}}{{S}_{k}} \geq {\int }_{{a}_{1}}^{{S}_{n}}\frac{\mathrm{d}x}{x}\;\left( {\forall n \in N}\right) . $$

当 $\displaystyle{n \rightarrow \infty}$ 时, $\displaystyle{+ \infty \geq \mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }\frac{{a}_{n + 1}}{{S}_{n}} \geq {\int }_{{a}_{1}}^{\infty }\frac{\mathrm{d}x}{x} = + \infty}$ ,即得结论.

(2)我们考虑级数 $\displaystyle{\mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }\frac{{a}_{n} - {a}_{n + 1}}{{S}_{n}}}$ ,因 $\frac{1}{{S}_{n}}$ 单调下降且趋于 0,及 $\left| {\mathop{\sum }\limits_{{k = 1}}^{\infty }\left( {{a}_{k} - {a}_{k + 1}}\right) }\right| \leq {2M}$ ,故级数 $\displaystyle{\mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }\frac{{a}_{n} - {a}_{n + 1}}{{S}_{n}}}$ 收敛,于是由第 (1) 小题推出级数 $\displaystyle{\mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }{a}_{n}/{S}_{n}}$ 发散.

又证 因对任意固定的 $\displaystyle{n,\mathop{\lim }\limits_{{p \rightarrow + \infty }}{S}_{n}/{S}_{n + p} = 0}$ ,所以 $\exists p > 0$ ,使 ${S}_{n}/{S}_{n + p} < 1/2$ . 于是对 ${\varepsilon }_{0} = 1/2 > 0,\forall N \in N,\exists n = N + 1 > N$ ,有

$$ \frac{{a}_{n + 1}}{{S}_{n + 1}} + \frac{{a}_{n + 2}}{{S}_{n + 2}} + \cdots + \frac{{a}_{n + p}}{{S}_{n + p}} > \frac{{S}_{n + p} - {S}_{n}}{{S}_{n + p}} = 1 - \frac{{S}_{n}}{{S}_{n + p}} > \frac{1}{2}. $$

故由收敛原理知 $\displaystyle{\mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }{a}_{n}/{S}_{n}}$ 发散.

💡 答案解析

证(1)把 $\displaystyle{\left\lbrack {{a}_{1}, + \infty }\right\rbrack}$ 用分点 ${a}_{1} = {S}_{1} < {S}_{2} < \cdots < {S}_{k} < {S}_{k + 1} < \cdots$ 分成无限个小区间,在 $\left\lbrack {{S}_{k},{S}_{k + 1}}\right\rbrack$ 上,因 ${S}_{k + 1} - {S}_{k} = {a}_{k + 1}$ 及 $1/x$ 单调性, 我们有

$$ \frac{{a}_{k + 1}}{{S}_{k}} \geq {\int }_{{S}_{k}}^{{S}_{k + 1}}\frac{\mathrm{d}x}{x}\;\left( {k = 1,2,\cdots }\right) , $$

从而

$$ \mathop{\sum }\limits_{{k = 1}}^{n}\frac{{a}_{k + 1}}{{S}_{k}} \geq {\int }_{{a}_{1}}^{{S}_{n}}\frac{\mathrm{d}x}{x}\;\left( {\forall n \in N}\right) . $$

当 $\displaystyle{n \rightarrow \infty}$ 时, $\displaystyle{+ \infty \geq \mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }\frac{{a}_{n + 1}}{{S}_{n}} \geq {\int }_{{a}_{1}}^{\infty }\frac{\mathrm{d}x}{x} = + \infty}$ ,即得结论.

(2)我们考虑级数 $\displaystyle{\mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }\frac{{a}_{n} - {a}_{n + 1}}{{S}_{n}}}$ ,因 $\frac{1}{{S}_{n}}$ 单调下降且趋于 0,及 $\left| {\mathop{\sum }\limits_{{k = 1}}^{\infty }\left( {{a}_{k} - {a}_{k + 1}}\right) }\right| \leq {2M}$ ,故级数 $\displaystyle{\mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }\frac{{a}_{n} - {a}_{n + 1}}{{S}_{n}}}$ 收敛,于是由第 (1) 小题推出级数 $\displaystyle{\mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }{a}_{n}/{S}_{n}}$ 发散.

又证 因对任意固定的 $\displaystyle{n,\mathop{\lim }\limits_{{p \rightarrow + \infty }}{S}_{n}/{S}_{n + p} = 0}$ ,所以 $\exists p > 0$ ,使 ${S}_{n}/{S}_{n + p} < 1/2$ . 于是对 ${\varepsilon }_{0} = 1/2 > 0,\forall N \in N,\exists n = N + 1 > N$ ,有

$$ \frac{{a}_{n + 1}}{{S}_{n + 1}} + \frac{{a}_{n + 2}}{{S}_{n + 2}} + \cdots + \frac{{a}_{n + p}}{{S}_{n + p}} > \frac{{S}_{n + p} - {S}_{n}}{{S}_{n + p}} = 1 - \frac{{S}_{n}}{{S}_{n + p}} > \frac{1}{2}. $$

故由收敛原理知 $\displaystyle{\mathop{\sum }\limits_{{n = 1}}^{\infty }{a}_{n}/{S}_{n}}$ 发散.

📋 详细解题步骤

步骤 1/3
目标:证明级数 ∑ a_n/S_n 发散的第一种方法(积分比较法)
将区间 [a_1, +∞) 用分点 a_1 = S_1 < S_2 < ... < S_k < S_{k+1} < ... 分成无限个小区间,其中 S_k = a_1 + a_2 + ... + a_k。在区间 [S_k, S_{k+1}] 上,由于 S_{k+1} - S_k = a_{k+1} 且函数 1/x 单调递减,有 a_{k+1}/S_k ≥ ∫_{S_k}^{S_{k+1}} dx/x。对 k 从 1 到 n 求和得 ∑_{k=1}^n a_{k+1}/S_k ≥ ∫_{a_1}^{S_n} dx/x = ln(S_n/a_1)。令 n→∞,由于 S_n → +∞,右边趋于 +∞,因此 ∑_{n=1}^∞ a_{n+1}/S_n 发散,从而 ∑ a_n/S_n 发散(因为 a_{n+1}/S_n 与 a_n/S_n 仅差有限项)。
公式:a_{k+1}/S_k ≥ ∫_{S_k}^{S_{k+1}} dx/x, ∑_{k=1}^n a_{k+1}/S_k ≥ ln(S_n/a_1)
提示:注意 S_k 是部分和,利用积分比较将级数转化为积分,积分发散则级数发散。
步骤 2/3
目标:证明级数 ∑ a_n/S_n 发散的第二种方法(利用 ∑ (a_n - a_{n+1})/S_n 收敛)
考虑级数 ∑ (a_n - a_{n+1})/S_n。由于 1/S_n 单调递减趋于 0,且 ∑ (a_n - a_{n+1}) 的部分和有界(因为 a_n 有界,|∑_{k=1}^n (a_k - a_{k+1})| = |a_1 - a_{n+1}| ≤ 2M),由 Dirichlet 判别法知 ∑ (a_n - a_{n+1})/S_n 收敛。若 ∑ a_n/S_n 收敛,则 ∑ a_{n+1}/S_n 也收敛,但由第(1)小题知 ∑ a_{n+1}/S_n 发散,矛盾。故 ∑ a_n/S_n 发散。
公式:∑ (a_n - a_{n+1})/S_n 收敛,∑ a_{n+1}/S_n 发散
提示:利用反证法,结合第(1)小题的结论。
步骤 3/3
目标:证明级数 ∑ a_n/S_n 发散的第三种方法(Cauchy 收敛准则)
对任意固定的 n,由于 S_n/S_{n+p} → 0 (p→∞),存在 p 使得 S_n/S_{n+p} < 1/2。于是对 ε_0 = 1/2,∀N,取 n = N+1 > N,有 ∑_{k=n+1}^{n+p} a_k/S_k > (S_{n+p} - S_n)/S_{n+p} = 1 - S_n/S_{n+p} > 1/2。因此级数的部分和不是 Cauchy 列,故发散。
公式:∑_{k=n+1}^{n+p} a_k/S_k > 1 - S_n/S_{n+p} > 1/2
提示:利用 a_k = S_k - S_{k-1},将和式与部分和之比联系起来。

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