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三、正项级数敛散性的判别

(一)具体级数敛散性的判别​

  1. 【1988-4-3 分】 讨论级数 的敛散性.
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答案: 收敛

解析: 令

使用比值判别法,有

因为

所以

由比值判别法,正项级数

收敛。


  1. 【2015-3-4 分】 下列级数中发散的是( )
A.    B.
C.    D.
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答案: C

解析: 逐项判断各级数的敛散性。

A项中,令 ,则

故该级数收敛。

B项中,当 时,

因而

由于 收敛,故B项收敛。

C项中,当 为奇数时,;当 为偶数时,。因此

当 充分大时,,所以

由比较判别法,该级数发散。

D项中,令 ,则

故D项收敛。

所以发散的是C项。


  1. 【2017-3-4 分】 若级数 收敛,则 ( )
A. 1    B. 2    C. - 1    D. - 2
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答案: C

解析: 当 时,利用泰勒展开

以及

因而级数的一般项为

若 ,则一般项与 同阶,相应级数必发散。因此收敛的必要条件为

即

此时

与收敛的 级数 同阶,故原级数确实收敛。

(二)抽象级数敛散性的讨论​

  1. 【1996-4-3 分】 下述各选项正确的是( ).
A. 若 和 都收敛,则 收敛
B. 若 收敛,则 与 都收敛
C. 若正项级数 发散,则
D. 若级数 发散,且 ,则 发散
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答案: A

解析: 由基本不等式

得

已知 与 都收敛,因此由比较判别法,

收敛,故A正确。这也可由柯西—施瓦茨不等式直接得到。

其余选项均错误:

  • B:取 ,,则 收敛,但 发散。
  • C:取 (),则 发散,但 。
  • D:取 ,,则 ,且 发散,但 收敛。比较判别法中,若要由较大级数发散推出较小级数发散,结论并不成立。

  1. 【1998-1-5 分】 设正项数列 单调递减,且级数 发散,试问级数 是否收敛?并说明理由.
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答案: 收敛

解析: 由于 且数列 单调递减,所以极限

存在,且 。

若 ,则 。由莱布尼茨判别法,交错级数

应当收敛,这与题设“该级数发散”矛盾。因此

令

因为 ,所以

又因

几何级数

收敛。由比较判别法,

收敛。

也可使用根值判别法:

故该级数收敛。


  1. 【2004-1-4 分】 设 为正项级数,下列结论中正确的是( )
A. 若 ,则级数 收敛
B. 若存在非零常数 ,使得 ,则级数 发散
C. 若级数 收敛,则
D. 若级数 发散,则存在非零常数 ,使得
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答案: B

解析: 若存在非零常数 ,使

因为 ,故必有 。于是

由极限比较判别法, 与调和级数 同敛散,而调和级数发散,所以 发散,B正确。

其余选项错误:

  • A:取 (),则 但 发散。
  • C:取 ,则 收敛,但
  • D:仍取 ,该正项级数发散,但 不可能趋于某个非零常数。

(三)抽象级数敛散性的证明​

  1. 【1988-4-3 分】 已知级数 和 都收敛,试证明级数 绝对收敛.
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答案: 绝对收敛。

解析: 对任意实数 ,由

可得

因而

由题设,级数

均收敛,所以

收敛。

根据正项级数的比较判别法,

收敛。因此级数

绝对收敛。


  1. 【1994-12-8 分】 设 在点 的某一邻域内具有二阶连续导数,且 ,证明:级数 绝对收敛.
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答案: 绝对收敛。

解析: 由

可知

又因为 在 的邻域内具有二阶连续导数,故 在 处连续,从而

于是

对充分接近 的 ,在 处使用带拉格朗日余项的二阶泰勒公式,有

其中 位于 与 之间。

由于 在 的某一闭邻域上连续,故在该闭邻域上有界。于是存在常数 ,使得当 充分小时,

因此

当 充分大时, 落在上述邻域内,从而

而 级数

收敛,所以由比较判别法,

收敛。故原级数绝对收敛。


  1. 【1997-1-8 分】 设 ,,证明: (1) 存在; (2) 级数 收敛.
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答案: (1) ; (2) 所给级数收敛。

解析: (1)证明 收敛。

因为 。若 ,则

故 。由数学归纳法,

又因为

所以数列 单调递减。

因此, 单调递减且以下界 有界,由单调有界定理可知其极限存在。设

因为 ,故 。在递推式两端取极限,得到

于是

即

结合 ,得

(2)证明级数收敛。

由上面已知

故

又因 ,所以

而级数

为伸缩级数,其前 项和为

当 时,,故

根据比较判别法,

收敛。


  1. 【1999-1-7 分】 设 ,求: (1) 求 的值; (2) 试证:对任意的常数 ,级数 收敛.
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答案: (1) ; (2) 对任意 ,级数 收敛。

解析: 由 ,有

令 ,则 ;当 时 ,当 时 。因此

(1)计算级数的和。

于是

因为

所以前 项和为

令 ,得到

(2)证明 收敛。

因为 ,由

可得

从而对任意 ,

由于 , 级数

收敛,故由比较判别法,


  1. 【2004-1-11 分】 设有方程 ,其中 为正整数.证明此方程存在唯一正实根 ,并证明当 时,级数 收敛.
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答案: 方程存在唯一正实根 ,且

因而当 时,级数 收敛。

解析: 对每个正整数 ,令

函数 在 上连续,且

而

根据零点定理,方程 在区间 内至少有一个实根,记为 。

又对 ,

因此 在 上严格单调增加,故正实根至多有一个。综上,方程存在唯一正实根 ,并且

当 时,

而 级数

在 时收敛,因此由比较判别法,


  1. 【2014-1-10 分】 设数列 , 满足 ,,,且级数 收敛. (1) 证明 ; (2) 证明级数 收敛.
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答案: (1) ; (2) 级数 收敛。

解析: (1)证明 。

因为正项级数

收敛,所以其一般项必趋于零,即

于是

由题设

得

令

则

故 在 上严格单调递减,且 。因此只有当 时,才可能有 。所以

(2)证明 收敛。

由题设

因为余弦函数在 上严格单调递减,所以

再由

以及和差化积公式,得

利用 ,可得

因此

已知 收敛,故 收敛。由比较判别法,


  1. 【2016-1-10 分】 已知函数 可导,且 ,,设数列 满足 ,证明: (1) 级数 绝对收敛; (2) 存在,且 .
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答案: (1) 级数 绝对收敛; (2) 存在,且实际上有

解析: (1)证明级数绝对收敛。

对任意 ,由递推关系

可得

根据拉格朗日中值定理,在 与 之间存在一点 ,使得

因为

所以

逐次迭代,得到

因而

所以

(2)证明极限存在并确定其范围。

由恒等式

以及(1)中级数绝对收敛可知,右端部分和存在有限极限。因此数列 收敛。记

函数 可导,故连续。对递推关系 两端取极限,得

若 ,则由上式应有

矛盾,所以 。

对函数 在端点 与 之间使用拉格朗日中值定理,存在介于 与 之间的点 ,使得

利用 与 ,得到

即

因此

又因为

所以

从而

特别地,