习题5.3
第 1 题
举出相应的例子.
(1) \(u_n > 0, \lim\limits_{n \to \infty}u_n = 0\), 但 \(\sum\limits_{n = 1}^{\infty}(-1)^{n}u_n\) 发散;
(2) \(u_n > 0\), \(\{u_n\}\) 单调递减, 但 \(\sum\limits_{n = 1}^{\infty}(-1)^{n}u_n\) 发散.
解
(1) 构造 \(u_n = \begin{cases}\dfrac{2}{k}, & n = 2k-1, \\ \dfrac{1}{k}, & n = 2k,\end{cases}\) 则 \(\lim\limits_{n \to \infty}u_n = 0\). 但 \(\sum\limits_{n = 1}^{\infty}(-1)^{n}u_n = \sum\limits_{k = 1}^{\infty}\dfrac{1}{k}\) 发散.
(2) 构造 \(u_n = 1 + \dfrac{1}{n}\), 则 \(\sum\limits_{n = 1}^{\infty}(-1)^{n}u_n = \sum\limits_{n = 1}^{\infty}(-1)^n + \sum\limits_{n = 1}^{\infty}\dfrac{(-1)^n}{n}\). 由于前者发散, 后者收敛, 故两者之和发散.
第 3 题
若级数 \(\sum\limits_{n = 1}^{\infty}u_n\) 收敛, 且 \(\lim\limits_{n \to \infty}\dfrac{u_n}{v_n} = 1\), 能否断定级数 \(\sum\limits_{n = 1}^{\infty}v_n\) 收敛?
解
不可以. 构造 \(u_n = \dfrac{(-1)^n}{\sqrt{n}}, v_n = \dfrac{(-1)^n}{\sqrt{n}} + \dfrac{1}{n}\), 则满足
但显然 \(\sum\limits_{n = 1}^{\infty}v_n\) 不收敛.
第 4 题
判断下列级数绝对收敛、条件收敛还是发散.
(1) \(\sum\limits_{n = 1}^{\infty}\dfrac{(-1)^n}{\sqrt{n + 1}}\);
(3) \(\sum\limits_{n = 1}^{\infty}(-1)^{n}\dfrac{n}{n + 1}\);
(5) \(\sum\limits_{n = 1}^{\infty}\dfrac{1}{2^n}\sin\dfrac{n\pi}{4}\);
(7) \(\sum\limits_{n = 1}^{\infty}(-1)^{n}\dfrac{2^{n^2}}{n!}\);
(9) \(\sum\limits_{n = 1}^{\infty}(-1)^n(\sqrt{n + 1} - \sqrt{n})\);
(11) \(\sum\limits_{n = 2}^{\infty}\dfrac{(-1)^n}{\sqrt{n + (-1)^n}}\);
(13) \(\dfrac{1}{\sqrt{2} - 1} + \dfrac{1}{\sqrt{2} + 1} + \dfrac{1}{\sqrt{3} - 1} + \dfrac{1}{\sqrt{3} + 1} + \cdots + \dfrac{1}{\sqrt{n} - 1} + \dfrac{1}{\sqrt{n} + 1} + \cdots\);
(14) \(1 - \ln 2 + \dfrac{1}{2} - \dfrac{3}{2} + \dfrac{1}{n} - \ln\dfrac{n + 1}{n} + \cdots\).
解
(1) 由于 \(\sum\limits_{n = 1}^{\infty}\dfrac{(-1)^n}{\sqrt{n + 1}}\) 为 Leibniz 级数, 故该级数收敛. 而
发散. 故原级数条件收敛.
(3) 由于 \(\sum\limits_{n = 1}^{\infty}(-1)^{n}\dfrac{n}{n + 1} = \sum\limits_{n = 1}^{\infty}(-1)^n + \sum\limits_{n = 1}^{\infty}\dfrac{(-1)^{n - 1}}{n + 1}\), 且前者发散, 后者收敛, 故原级数发散.
(5) 由于 \(\left|\dfrac{1}{2^n}\sin\dfrac{n\pi}{4}\right|\le \dfrac{1}{2^n}\) 且 \(\sum\limits_{n = 1}^{\infty}\dfrac{1}{2^n}\) 收敛, 故原级数绝对收敛.
(7) 由于
显然 \(\lim\limits_{k \to \infty}\dfrac{2^{(2k - 1)^2}}{(2k)!}\cdot(2^{4k - 1} - 2k) \neq 0\). 故该级数发散.
(9) 由于 \(\sum\limits_{n = 1}^{\infty}(-1)^n(\sqrt{n + 1} - \sqrt{n})\) 为 Leibniz 级数, 故该级数收敛. 而
故该级数的通项加上绝对值后发散. 综上所述, 该级数条件收敛.
(11) 由于
为 Leibniz 级数, 因此该级数收敛. 而
故该级数的通项加上绝对值后发散. 综上所述, 该级数条件收敛.
(13)
故原级数发散.
(14)
其中 \(\lim\limits_{n \to \infty}\epsilon_n = 0, \gamma = 0.577216\cdots\). 故原级数绝对收敛.
第 6 题
级数 \(\sum\limits_{n = 1}^{\infty}a_n^2, \sum\limits_{n = 1}^{\infty}b_n^2\) 收敛, 证明: \(\sum\limits_{n = 1}^{\infty}(a_n + b_n)^2\) 收敛, \(\sum\limits_{n = 1}^{\infty}\dfrac{a_n}{n}\) 绝对收敛.
证明
由于 \((a_n + b_n)^2 \le 2(a_n^2 + b_n^2)\), 且 \(\sum\limits_{n = 1}^{\infty}2(a_n^2 + b_n^2)\) 收敛, 故由比较判别法知 \(\sum\limits_{n = 1}^{\infty}(a_n + b_n)^2\) 收敛.
不妨设 \(a_n > 0\). 由于 \(\dfrac{a_n}{n} \le a_n^2 + \dfrac{1}{4n^2}\), 且 \(\sum\limits_{n = 1}^{\infty}\left(a_n^2 + \dfrac{1}{4n^2}\right) = \sum\limits_{n = 1}^{\infty}a_n^2 + \sum\limits_{n = 1}^{\infty}\dfrac{1}{4n^2}\) 收敛, 故由比较判别法知 \(\sum\limits_{n = 1}^{\infty}\dfrac{a_n}{n}\) 绝对收敛.
第 7 题
若级数 \(\sum\limits_{n = 1}^{\infty}a_n, \sum\limits_{n = 1}^{\infty}b_n\) 均收敛, 且 \(a_n \le c_n \le b_n\), 证明: \(\sum\limits_{n = 1}^{\infty}c_n\) 收敛.
证明
由于 \(0 \le c_n - a_n \le b_n - a_n\), 且 \(\sum\limits_{n = 1}^{\infty}(b_n - a_n)\) 收敛, 故由比较判别法知 \(\sum\limits_{n = 1}^{\infty}(c_n - a_n)\) 收敛. 又因为 \(\sum\limits_{n = 1}^{\infty}a_n\) 收敛, 故 \(\sum\limits_{n = 1}^{\infty}c_n\) 收敛.
第 9 题
设正项数列 \(\{u_n\}\) 单调减少, 且级数 \(\sum\limits_{n = 1}^{\infty}(-1)^nu_n\) 发散, 证明: 级数 \(\sum\limits_{n = 1}^{\infty}\left(\dfrac{1}{1 + u_n}\right)^n\) 收敛.
证明
由于正项数列 \(\{u_n\}\) 单调减少, 故 \(\lim\limits_{n \to \infty}u_n \ge 0\). 假设 \(\lim\limits_{n \to \infty}u_n = 0\), 则级数 \(\sum\limits_{n = 1}^{\infty}(-1)^nu_n\) 收敛, 矛盾. 故 \(\lim\limits_{n \to \infty}u_n > 0\), 不妨设为 \(c\). 由于
由根值判别法知级数 \(\sum\limits_{n = 1}^{\infty}\left(\dfrac{1}{1 + u_n}\right)^n\) 收敛.