Khảo sát sự hội tụ của một số chuỗi ví dụ. Hàng cho ấm trà
Cho một dãy số dương $ \sum_(n=1) ^\infty a_n $. Hãy để chúng tôi xây dựng tiêu chí cần thiết cho sự hội tụ của chuỗi:
- Nếu chuỗi hội tụ, thì giới hạn của số hạng chung của nó bằng 0: $$ \lim _(n \to \infty) a_n = 0 $$
- Nếu giới hạn của số hạng chung của chuỗi không bằng 0, thì chuỗi sẽ phân kỳ: $$ \lim _(n \to \infty) a_n \neq 0 $$
Chuỗi điều hòa tổng quát
Loạt bài này được viết như sau $ \sum_(n=1) ^\infty \frac(1)(n^p) $. Ngoài ra, tùy thuộc vào $ p $, chuỗi hội tụ hoặc phân kỳ:
- Nếu $ p = 1 $, thì chuỗi $ \sum_(n=1) ^\infty \frac(1)(n) $ phân kỳ và được gọi là điều hòa, mặc dù thực tế là số hạng phổ biến $ a_n = \frac(1 )( n) \đến 0 $. Tại sao vậy? Nhận xét nói rằng tiêu chí cần thiết không đưa ra câu trả lời về sự hội tụ, mà chỉ về sự phân kỳ của chuỗi. Do đó, nếu chúng ta áp dụng một phép thử đầy đủ, chẳng hạn như phép thử Cauchy tích phân, thì rõ ràng là chuỗi phân kỳ!
- Nếu $ p \leqslant 1 $, thì chuỗi phân kỳ. Ví dụ, $ \sum_(n=1) ^\infty \frac(1)(\sqrt(n)) $, trong đó $ p = \frac(1)(2) $
- Nếu $ p > 1 $ thì chuỗi hội tụ. Ví dụ, $ \sum_(n=1) ^\infty \frac(1)(\sqrt(n^3)) $, trong đó $ p = \frac(3)(2) > 1 $
ví dụ về giải pháp
ví dụ 1 |
Chứng minh chuỗi phân kỳ $ \sum_(n=1) ^\infty \frac(n)(6n+1) $ |
Dung dịch |
Chuỗi tích cực, chúng tôi viết ra thuật ngữ phổ biến: $$ a_n = \frac(n)(6n+1) $$ Tính giới hạn tại $n \to \infty $: $$ \lim _(n \to \infty) \frac(n)(6n+1) = \frac(\infty)(\infty) = $$ Đặt dấu ngoặc $ n $ ở mẫu số rồi rút gọn: $$ = \lim_(n \to \infty) \frac(n)(n(6+\frac(1)(n))) = \lim_(n \to \infty) \frac(1)(6 + \frac(1)(n)) = \frac(1)(6) $$ Vì chúng ta đã nhận được $ \lim_(n\to \infty) a_n = \frac(1)(6) \neq 0 $, phép thử Cauchy yêu cầu không được thỏa mãn và chuỗi do đó phân kỳ. Nếu bạn không thể giải quyết vấn đề của mình, hãy gửi nó cho chúng tôi. Chúng tôi sẽ cung cấp một giải pháp chi tiết. Bạn sẽ có thể tự làm quen với tiến trình tính toán và thu thập thông tin. Điều này sẽ giúp bạn nhận được tín dụng từ giáo viên một cách kịp thời! |
Câu trả lời |
Chuỗi phân kỳ |
Ví dụ #9
Khảo sát sự hội tụ của chuỗi $\sum\limits_(n=1)^(\infty)\frac(1)(\sqrt(n))\arctg\frac(\pi)(\sqrt(2n-1)) $.
Vì giới hạn tổng dưới là 1 nên số hạng chung của dãy số được viết dưới dấu tổng: $u_n=\frac(1)(\sqrt(n))\arctg\frac(\pi)(\sqrt(2n- 1))$ . Đầu tiên, hãy xác định xem chuỗi này có dương hay không, tức là bất đẳng thức $u_n≥ 0$ có đúng không? Hệ số $\frac(1)(\sqrt(n))> 0$, điều đó rõ ràng, nhưng còn tiếp tuyến của cung thì sao? Không có gì phức tạp với arctangues: vì $\frac(\pi)(\sqrt(2n-1)) >0$, nên $\arctg\frac(\pi)(\sqrt(2n-1))>0$ . Kết luận: chuỗi của chúng tôi là tích cực. Hãy áp dụng phép thử so sánh để nghiên cứu câu hỏi về sự hội tụ của chuỗi này.
Đầu tiên, hãy chọn một loạt mà chúng ta sẽ so sánh. Nếu $n\to\infty$ thì $\frac(\pi)(\sqrt(2n-1))\to 0$. Do đó, $\arctg\frac(\pi)(\sqrt(2n-1))\sim\frac(\pi)(\sqrt(2n-1))$. Tại sao vậy? Nếu chúng ta nhìn vào bảng ở cuối tài liệu này, chúng ta sẽ thấy công thức $\arctg x\sim x$ cho $x\to 0$. Chúng tôi đã sử dụng công thức này, chỉ trong trường hợp của chúng tôi $x=\frac(\pi)(\sqrt(2n-1))$.
Trong biểu thức $\frac(1)(\sqrt(n))\arctg\frac(\pi)(\sqrt(2n-1))$ tiếp tuyến của cung bởi phân số $\frac(\pi)(\sqrt (2n- 1))$. Chúng tôi nhận được như sau: $\frac(1)(\sqrt(n))\frac(\pi)(\sqrt(2n-1))$. Chúng tôi đã làm việc với các phân số như vậy trước đây. Loại bỏ các phần tử "phụ", chúng ta đến phân số $\frac(1)(\sqrt(n)\cdot\sqrt(n))=\frac(1)(n^(\frac(1)(2) +\frac (1)(3)))=\frac(1)(n^(\frac(5)(6)))$. Chúng tôi sẽ so sánh chuỗi đã cho bằng cách sử dụng . Vì $\frac(5)(6)≤ 1$, nên chuỗi $\sum\limits_(n=1)^(\infty)\frac(1)(n^\frac(5)(6))$ phân kỳ.
$$ \lim_(n\to\infty)\frac(\frac(1)(\sqrt(n))\arctg\frac(\pi)(\sqrt(2n-1)))(\frac(1) (n^\frac(5)(6)))=\left|\frac(0)(0)\right|=\left|\begin(aligned)&\frac(\pi)(\sqrt(2n- 1))\to 0;\\&\arctg\frac(\pi)(\sqrt(2n-1))\sim\frac(\pi)(\sqrt(2n-1)).\end(căn chỉnh) \right| =\lim_(n\to\infty)\frac(\frac(1)(\sqrt(n))\cdot\frac(\pi)(\sqrt(2n-1)))(\frac(1)( n^\frac(5)(6))) =\\=\pi\cdot\lim_(n\to\infty)\frac(\sqrt(n))(\sqrt(2n-1)) =\pi \cdot\lim_(n\to\infty)\frac(1)(\sqrt(2-\frac(1)(n)))=\pi\cdot\frac(1)(\sqrt(2-0) )=\frac(\pi)(\sqrt(2)). $$
kể từ $0<\frac{\pi}{\sqrt{2}}<\infty$, то ряды $\sum\limits_{n=1}^{\infty}\frac{1}{\sqrt{n}}\arctg\frac{\pi}{\sqrt{2n-1}}$ и $\sum\limits_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^\frac{5}{6}}$ сходятся либо расходятся одновременно. Так как ряд $\sum\limits_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^\frac{5}{6}}$ расходится, то одновременно с ним будет расходиться и ряд $\sum\limits_{n=1}^{\infty}\frac{1}{\sqrt{n}}\arctg\frac{\pi}{\sqrt{2n-1}}$.
Tôi lưu ý rằng trong trường hợp này, thay vì cung tiếp tuyến trong biểu thức của số hạng chung của chuỗi, có thể có sin, cung sin hoặc tiếp tuyến. Giải pháp sẽ vẫn như cũ.
Câu trả lời: chuỗi phân kỳ.
Ví dụ #10
Nghiên cứu chuỗi $\sum\limits_(n=1)^(\infty)\left(1-\cos\frac(7)(n)\right)$ để tìm sự hội tụ.
Vì giới hạn dưới của tổng bằng 1 nên số hạng chung của dãy số được viết dưới dấu tổng: $u_n=1-\cos\frac(7)(n)$. Vì với mọi giá trị của $x$, chúng ta có $-1≤\cos x≤ 1$, thì $\cos\frac(7)(n)≤ 1$. Do đó, $1-\cos\frac(7)(n)≥ 0$, tức là $u_n≥ 0$. Chúng tôi đang đối phó với một loạt tích cực.
Nếu $n\to\infty$ thì $\frac(7)(n)\to 0$. Do đó $1-\cos\frac(7)(n)\sim \frac(\left(\frac(7)(n)\right)^2)(2)=\frac(49)(2n^2) $ . Tại sao vậy? Nếu nhìn vào bảng ở cuối tài liệu này, chúng ta sẽ thấy công thức $1-\cos x \sim \frac(x^2)(2)$ cho $x\to 0$. Chúng tôi đã sử dụng công thức này, chỉ trong trường hợp của chúng tôi $x=\frac(7)(n)$.
Hãy để chúng tôi thay thế biểu thức $1-\cos\frac(7)(n)$ bằng $\frac(49)(2n^2)$. Loại bỏ các phần tử "phụ", chúng ta có được phân số $\frac(1)(n^2)$. Với chuỗi $\sum\limits_(n=1)^(\infty)\frac(1)(n^2)$, chúng ta sẽ so sánh chuỗi đã cho bằng cách sử dụng . Vì $2 > 1$ nên chuỗi $\sum\limits_(n=1)^(\infty)\frac(1)(n^2)$ hội tụ.
$$ \lim_(n\to\infty)\frac(1-\cos\frac(7)(n))(\frac(1)(n^2))=\left|\frac(0)(0 )\right|= \left|\begin(căn chỉnh)&\frac(7)(n)\to 0;\\&1-\cos\frac(7)(n)\sim\frac(49)(2n^ 2).\end(căn chỉnh)\right| =\lim_(n\to\infty)\frac(\frac(49)(2n^2))(\frac(1)(n^2))=\frac(49)(2). $$
kể từ $0<\frac{49}{2}<\infty$, то ряды $\sum\limits_{n=1}^{\infty}\left(1-\cos\frac{7}{n}\right)$ и $\sum\limits_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2}$ сходятся либо расходятся одновременно. Так как ряд $\sum\limits_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2}$ сходится, то одновременно с ним будет сходиться и ряд $\sum\limits_{n=1}^{\infty}\left(1-\cos\frac{7}{n}\right)$.
Câu trả lời: chuỗi hội tụ.
Ví dụ #11
Khảo sát sự hội tụ của chuỗi $\sum\limits_(n=1)^(\infty)n\left(e^\frac(3)(n)-1\right)^2$.
Vì giới hạn tổng dưới là 1 nên số hạng chung của dãy số được viết dưới dấu tổng: $u_n=n\left(e^\frac(3)(n)-1\right)^2$. Vì cả hai yếu tố đều dương, nên $u_n >0$, tức là chúng tôi đang đối phó với một loạt tích cực.
Nếu $n\to\infty$ thì $\frac(3)(n)\to 0$. Do đó $e^\frac(3)(n)-1\sim\frac(3)(n)$. Công thức chúng tôi sử dụng nằm trong bảng ở cuối tài liệu này: $e^x-1 \sim x$ cho $x\to 0$. Trong trường hợp của chúng tôi $x=\frac(3)(n)$.
Chúng ta hãy thay thế biểu thức $e^\frac(3)(n)-1$ bởi $\frac(3)(n)$, do đó thu được $n\cdot\left(\frac(3)(n)\right )^ 2=\frac(9)(n)$. Loại bỏ số, chúng ta đến phân số $\frac(1)(n)$. Với chuỗi điều hòa $\sum\limits_(n=1)^(\infty)\frac(1)(n)$, chúng ta sẽ so sánh chuỗi đã cho bằng cách sử dụng . Hãy để tôi nhắc bạn rằng chuỗi điều hòa phân kỳ.
$$ \lim_(n\to\infty)\frac(n\left(e^\frac(3)(n)-1\right)^2)(\frac(1)(n))=\lim_( n\to\infty)\frac(\left(e^\frac(3)(n)-1\right)^2)(\frac(1)(n^2)) =\left|\frac(0 )(0)\right|=\left|\begin(căn chỉnh)&\frac(3)(n)\to 0;\\&e^\frac(3)(n)-1\sim\frac(3) (n).\end(căn chỉnh)\right| =\lim_(n\to\infty)\frac(\frac(9)(n^2))(\frac(1)(n^2))=9. $$
kể từ $0<9<\infty$, то одновременно с рядом $\sum\limits_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n}$ будет расходиться и ряд $\sum\limits_{n=1}^{\infty}n\left(e^\frac{3}{n}-1\right)^2$.
Câu trả lời: chuỗi phân kỳ.
Ví dụ #12
Khảo sát sự hội tụ của chuỗi $\sum\limits_(n=1)^(\infty)\ln\frac(n^3+7)(n^3+5)$.
Vì giới hạn tổng dưới là 1 nên số hạng chung của chuỗi được viết dưới dấu tổng: $u_n=\ln\frac(n^3+7)(n^3+5)$. Vì với bất kỳ giá trị nào của $n$, chúng ta có $n^3+7 > n^3+5$, khi đó $\frac(n^3+7)(n^3+5) > 1$. Do đó, $\ln\frac(n^3+7)(n^3+5) > 0$, tức là $u_n > 0$. Chúng tôi đang đối phó với một loạt tích cực.
Nhận thấy sự tương đương cần thiết trong trường hợp này hơi khó khăn. Hãy viết biểu thức dưới logarit ở dạng hơi khác:
$$ \ln\frac(n^3+7)(n^3+5)=\ln\frac(n^3+5+2)(n^3+5)=\ln\left(\frac( n^3+5)(n^3+5)+\frac(2)(n^3+5)\right)=\ln\left(1+\frac(2)(n^3+5)\ bên phải). $$
Bây giờ công thức hiển thị: $\ln(1+x)\sim x$ for $x\to 0$. Vì đối với $n\to\infty$ chúng ta có $\frac(2)(n^3+5)\đến 0$, nên $\ln\left(1+\frac(2)(n^3+5) \right)\sim\frac(2)(n^3+5)$.
Hãy để chúng tôi thay thế biểu thức $\ln\frac(n^3+7)(n^3+5)$ bằng $\frac(2)(n^3+5)$. Loại bỏ các phần tử "phụ", chúng ta có được phân số $\frac(1)(n^3)$. Với chuỗi $\sum\limits_(n=1)^(\infty)\frac(1)(n^3)$ mà chúng ta sẽ so sánh chuỗi đã cho bằng cách sử dụng . Vì $3 > 1$ nên chuỗi $\sum\limits_(n=1)^(\infty)\frac(1)(n^3)$ hội tụ.
$$ \lim_(n\to\infty)\frac(\ln\frac(n^3+7)(n^3+5))(\frac(1)(n^3))=\lim_(n \to\infty)\frac(\ln\left(1+\frac(2)(n^3+5)\right))(\frac(1)(n^3))=\left|\frac( 0)(0)\right|= \left|\begin(căn chỉnh)&\frac(2)(n^3+5)\to 0;\\&\ln\left(1+\frac(2)( n^3+5)\right)\sim\frac(2)(n^3+5).\end(aligned)\right|=\\ =\lim_(n\to\infty)\frac(\frac (2)(n^3+5))(\frac(1)(n^3)) =\lim_(n\to\infty)\frac(2n^3)(n^3+5)=\lim_ (n\to\infty)\frac(2)(1+\frac(5)(n^3))=\frac(2)(1+0)=2. $$
kể từ $0<2<\infty$, то одновременно с рядом $\sum\limits_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^3}$ сходится и ряд $\sum\limits_{n=1}^{\infty}\ln\frac{n^3+7}{n^3+5}$.
Câu trả lời: chuỗi hội tụ.
Ví dụ #13
Khám phá chuỗi $\sum\limits_(n=1)^(\infty)\frac(n^n)(7^n\cdot n$ на сходимость.!}
Vì giới hạn tổng dưới là 1 nên số hạng chung của dãy số được viết dưới dấu tổng: $u_n=\frac(n^n)(7^n\cdot n$. Так как $u_n ≥ 0$, то заданный ряд является положительным.!}