级数的敛散性
Abstract(摘要)
本节题目主要涉及数项级数的定义,Cauchy准则,以及数项级数的一些性质
Table of Contents(目录)
- 1. 问题陈述(Problem Statement)
- 2. 预备知识(Preliminaries)
- 3. 主要结果与证明(Main Result & Proof)
- 4. 注记与讨论(Remarks & Discussion)
- 5. 相关拓展(Related Extensions)
- 6. 参考文献(References)
1. 问题陈述(Problem Statement)
1. 证明下列级数收敛,并求其和:
(1) \(\displaystyle \frac{1}{1 \cdot 6}+\frac{1}{6 \cdot 11}+\frac{1}{11 \cdot 16}+\dots+\frac{1}{(5n-4)(5n+1)}+\dots ;\)
(2) \(\displaystyle \left(\frac{1}{2}+\frac{1}{3}\right)+\left(\frac{1}{2^2}+\frac{1}{3^2}\right)+\dots+\left(\frac{1}{2^n}+\frac{1}{3^n}\right)+\dots ;\)
(3) \(\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n(n+1)(n+2)} ;\)
(4) \(\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} (\sqrt{n+2}-2\sqrt{n+1}+\sqrt{n}) ;\)
(5) \(\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{2n-1}{2^n}.\)
2.证明:若级数 \(\sum u_n\) 发散,\(c \neq 0\),则 \(\sum c u_n\) 也发散.
3.设级数 \(\sum u_n\) 与 \(\sum v_n\) 都发散,试问 \(\sum (u_n+v_n)\) 一定发散吗? 又若 \(u_n\) 与 \(v_n(n = 1,2,\dots)\)都是非负数,则能得出什么结论?
4.证明:若数列 \(\{a_n\}\) 收敛于 \(a\),则级数 \(\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \left(a_n-a_{n+1}\right) = a_1-a.\)
5.证明: 若数列 \(\{b_n\}\) 有 \(\displaystyle \lim_{n \to \infty} b_n = \infty\), 则
(1) 级数 \(\displaystyle \sum (b_{n+1}-b_n)\) 发散;
(2) 当 \(b_n \neq 0\) 时,级数 \(\displaystyle \sum \left(\frac{1}{b_n}-\frac{1}{b_{n+1}}\right) = \frac{1}{b_1}.\)
6. 应用第4,5题的结果求下列级数的和:
(1) \(\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{(a+n-1)(a+n)}\);
(2) \(\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n+1} \frac{2n+1}{n(n+1)}\);
(3) \(\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{2n+1}{(n^2 + 1)\left((n+1)^2 + 1\right)}\)。
7. 应用柯西准则判别下列级数的敛散性:
(1) \(\displaystyle \sum \frac{\sin 2^n}{2^n}\);
(2) \(\displaystyle \sum \frac{(-1)^{n-1} n^2}{2n^2 + 1}\);
(3) \(\displaystyle \sum \frac{(-1)^n}{n}\);
(4) \(\displaystyle \sum \frac{1}{\sqrt{n+n^2}}\)。
8.证明级数 \(\sum u_n\) 收敛的充要条件是:任给正数 \(\varepsilon\),存在某正整数 \(N\),对一切 \(n > N\) 总有
9.举例说明:若级数 \(\sum u_n\) 对每个固定的 \(p\) 满足条件
此级数仍可能不收敛。
10.设级数 \(\sum u_n\) 满足:加括号后级数 \(\displaystyle \sum_{k=1}^{\infty} \left(u_{n_k + 1}+u_{n_k + 2}+\dots +u_{n_{k+1}}\right)\) 收敛\((n_1=0)\),且在同一括号中的 \(u_{n_k+1},u_{n_k+2},\dots ,u_{n_{k+1}}\) 符号相同,证明:\(\sum u_n\) 亦收敛。
2. 预备知识(Preliminaries)
3. 主要结果与证明(Main Result & Proof)
1.\(\frac{1}{1 \cdot 6}+\frac{1}{6 \cdot 11}+\frac{1}{11 \cdot 16}+\dots+\frac{1}{(5n-4)(5n+1)}+\dots\)
解:
故 \(\sum \frac{1}{(5n-4)(5n+1)}\) 收敛,其和为 \(\frac{1}{5}\).\(\Box\)
2.\(\left(\frac{1}{2}+\frac{1}{3}\right)+\left(\frac{1}{2^2}+\frac{1}{3^2}\right)+\dots+\left(\frac{1}{2^n}+\frac{1}{3^n}\right)+\dots\)
解:
\(\Box\)
3.\(\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n(n+1)(n+2)}\)
解:
设
故
解得
重复上述步骤,有
故
解得
因此
故 \(\displaystyle \sum \frac{1}{n(n+1)(n+2)}\) 收敛,其和为 \(\displaystyle \frac{1}{4}\).\(\Box\)
4.\(\sum_{n=1}^{\infty} \left( \sqrt{n+2}-2\sqrt{n+1}+\sqrt{n} \right)\)
解:
故 \(\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \left( \sqrt{n+2}-2\sqrt{n+1}+\sqrt{n} \right)\) 收敛,其和为 \({1-\sqrt{2}}\).\(\Box\)
5.\(\sum_{n=1}^{\infty} \frac{2n-1}{2^n}\)
解:
\(①-②\)得
故 \(\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{2n-1}{2^n}\) 收敛,其和为 \(\displaystyle \lim_{n \to \infty} 2 \cdot \lim_{n \to \infty} \frac{3}{2} = 3\).\(\Box\)
- 证明: 若级数 \(\sum u_n\) 发散,\(C \neq 0\),则 \(\sum Cu_n\) 也发散
(证法一)
证明:(反证法)若 \(\sum Cu_n\) 收敛,则由 \(C \neq 0\)可知
收敛,与 \(\sum u_n\) 发散矛盾,故 \(\sum Cu_n\) 发散.\(\Box\)
(证法二)
证明:$\exists \varepsilon_0>0,\ \forall N>0,\ \exists\ n_0>N,\ p_0>0,\ $ 有
由 \(C \neq 0\) 可知 \(|C|>0\)
因此
故 \(\sum Cu_n\) 发散.\(\Box\)
- 设级数 \(\sum u_n\) 与 \(\sum v_n\) 都发散,试问 \(\sum (u_n+v_n)\) 一定发散吗?又若 \(u_n\) 与 \(v_n\ (n=1,2,\dots)\) 都是非负数,则能得出什么结论?
(1)解:不一定.如级数
(2)证明:(反证法)若 \(\sum (u_n+v_n)\) 收敛,则对 \(\forall \varepsilon>0,\ \exists N>0\),当 \(n>N\),对 \(\forall p\) 有
因为\(u_n\) 与 \(v_n\ (n=1,2,\dots)\) 都是非负数,所以
故 $ \sum u_n,\ \sum v_n$ 收敛,这与级数 \(\sum u_n\) 与 \(\sum v_n\) 都发散矛盾,因此 \(\sum (u_n+v_n)\) 发散.\(\Box\)
- 证明:若数列 \(\{a_n\}\) 收敛于 \(a\),则级数\( \sum_{n=1}^{\infty} \left( a_n - a_{n+1} \right) = a_1 - a \)
由 $$a_n \to a\ (n\to\infty)$$
得 $$S_n \to a_1 - a\ (n\to\infty)$$
\(\Box\)
5. 证明:若数列 \(\{b_n\}\) 有 \(\displaystyle \lim_{n \to \infty} b_n = \infty\),则
(1) 级数 \(\sum \left( b_{n+1}-b_n \right)\) 发散;
(2) 当 \(b_n \neq 0\) 时,级数 \(\sum \left( \frac{1}{b_n} - \frac{1}{b_{n+1}} \right) = \frac{1}{b_1}\).
证明:(1)级数 \(\sum \left( b_{n+1}-b_n \right)\)的部分和为
由 \(\{b_{n+1}\}\)发散可知\(\{S_n\}\)发散.\(\Box\)
故 \(\sum \left( b_{n+1}-b_n \right)\) 发散.\(\Box\)
(2)部分和
由 \(b_n \neq 0\),且 \(\displaystyle \lim_{n \to \infty} b_n = \infty\) 得
故级数 \(\sum \left( \frac{1}{b_n} - \frac{1}{b_{n+1}} \right) = \frac{1}{b_1}\).\(\Box\)
- (1)\( \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{(a+n-1)(a+n)}; \)
解:部分和
设
故
解得
因此
即得级数
\(\Box\)
(2)\(
\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n+1} \frac{2n+1}{n(n+1)};
\)
解:部分和
可以看到这里的一般项的符号受\(n\)的奇偶性的影响,由此想到数列极限与子列极限的关系
由
及
可知
因此级数
\(\Box\)
(3)\(
\sum_{n=1}^{\infty} \frac{2n+1}{\left(n^2+1\right)\left(\left(n+1\right)^2+1\right)};
\)
解:部分和
因此级数
\(\Box\)
- 应用柯西准则判别下列级数的敛散性:
(1)
证明:\(\forall p \in \mathbb{N}\),有
对 \(\forall \varepsilon>0,\ \exists N=\left\lceil \frac{1}{\varepsilon} \right\rceil\),当 \(n>N\) 时,\(\forall p \in \mathbb{N}\),有
由 Cauchy 准则,证得\(\displaystyle \sum \frac{\sin 2^n}{2^n}\) 收敛.\(\Box\)
(2)
证明:有部分和
取 \(\varepsilon_0 = \frac{2}{5}\),对 \(\forall N>0,\ \exists n_0>N\) 及 \(p=1\),有
由Cauchy准则的否定形式可知原级数发散.\(\Box\)
\((\)由 \(n_0>N\ge1\) 可知 \(
2\left[(n_0+1)^2+1\right] \ge 10
\),即\(
-\frac{1}{2\left[(n_0+1)^2+1\right]} \ge -\frac{1}{10})
\)
(3)
证明:\(\forall\ p \in \mathbb{N}\),有
对\(\forall\ \varepsilon>0,\ \exists N = \left\lceil \frac{1}{\varepsilon} \right\rceil\),当 \(n>N\) 且 \(\forall\ p \in \mathbb{N}\),有
由Cauchy准则可知原级数收敛.\(\Box\)
注
①:其实由交错级数中的莱布尼茨判别法可以立即判定该级数收敛.
②:这里容易使用绝对值不等式进行估计,而使用之后就陷入调和级数的发散性证明中,因此使用上述估计,而涉及自然数的命题一般可用数学归纳法得到证明.
证明如下:设有数列 \(\{a_k\},\ k=1,2,\cdots\)
一般项
亦可表示为
欲证:\(\forall\ k \in \mathbb{N}\),有 \(a_k < \frac{1}{n}\)
(数学归纳法)
当 \(k=1\) 时
命题成立
设对任意 \(k \in \mathbb{N}\),有
考察 \(k+1\) 的情形
当 \(k\) 为偶数时
当 \(k\) 为奇数时
且有
可得
由数学归纳法可知命题成立.\(\Box\)
(4)
证明:\(\forall p \in \mathbb{N}\),有
令 \(p=n\)
有
取 \(\varepsilon_0 = \frac{\sqrt{2}}{4} > 0\),\(\forall\ N>0,\ \exists\ n>N\) 且 \(p=n\),有
由Cauchy准则的否定形式可知原级数发散.
- 证明级数 \(\sum u_n\) 收敛的充要条件是:任给正数 \(\varepsilon\),存在某正整数 \(N\),对一切 \(n>N\)
总有
证明:(⇐)
对 \(\forall \varepsilon>0,\ \exists N>0,\ \forall\ n>m>N\)
有
故
由Cauchy准则可知级数 \(\sum u_n\) 收敛.
(⇒)若级数 \(\sum u_n\) 收敛,由Cauchy准则可知,对 \(\forall \varepsilon>0,\ \exists N_1>0\),当 \(n>m>N_1\) 时
有
取 \(N>N_1+1\),令 \(m=N-1>N_1\),当 \(n>N\) 时
有
- 举例说明:若级数 \(\sum u_n\) 对每个固定的 \(p\) 满足条件
此级数仍可能不收敛.
解:对于级数
其部分和
对 \(\forall p \in N\),有
而由 $$S_n =\ln(n+1)$$ 可知
发散,即 \(\sum \ln\left(1+\frac{1}{n}\right)\) 发散.
- 设级数 \(\sum u_n\) 满足:加括号后级数 \(\sum\limits_{k=1}^{\infty} (u_{n_k + 1} + u_{n_k + 2} + \dots + u_{n_{k+1}})\) 收敛\((n_1 = 0)\),且在同一括号中的 \(u_{n_k + 1},u_{n_k + 2},\dots,u_{n_{k+1}}\) 符号相同 ,证明:\(\sum u_n\) 亦收敛.
证明: 因为级数 \(\sum\limits_{k=1}^{\infty} (u_{n_k+1}+u_{n_k+2}+\dots+u_{n_{k+1}})\) 收敛,则有
所以对 \(\forall n \in \mathbb{N}_+\), 总存在 \(k \in \mathbb{N}_+\), 使 \(n=n_k+j\ (1 \le j \le n_{k+1}-n_k)\) 时,有
其中\(S_{k-1}'\)表示加括号级数的前\(k-1\)项之和. 当\(n\to\infty\)时,\(k-1\to \infty\),从而有
故 \(\sum u_n\) 收敛,其和不变.\(\Box\)
4. 注记与讨论(Remarks & Discussion)
5. 相关拓展(Related Extensions)
6. 参考文献(References)
数学分析.下册/华东师范大学数学科学学院编--5 版.--北京:高等教育出版社,2019.5

浙公网安备 33010602011771号