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判断级数∑ₙ=1^∞(-1)^(n-1)√n/(n+4)的敛散性问题咨询

如何判断级数 $\sum_{n=1}\infty(-1){n-1} \frac{\sqrt{n}}{n+4}$ 的敛散性?

这个问题确实乍一看简单,但抠到细节(比如通项绝对值的单调性)就会有点绕,我一步步拆解给你看:

第一步:判断是否绝对收敛

我们先看原级数各项取绝对值后的级数:
$$\sum_{n=1}^\infty \frac{\sqrt{n}}{n+4}$$
极限比较法,和已知发散的p级数$\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{\sqrt{n}}$(p=1/2 < 1,发散)做比较:
$$\lim_{n\to\infty} \frac{\frac{\sqrt{n}}{n+4}}{\frac{1}{\sqrt{n}}} = \lim_{n\to\infty} \frac{n}{n+4} = \lim_{n\to\infty} \frac{1}{1+\frac{4}{n}} = 1$$
因为极限是一个正的有限值,且$\sum \frac{1}{\sqrt{n}}$发散,所以绝对值级数$\sum \frac{\sqrt{n}}{n+4}$也发散——这说明原级数不绝对收敛

第二步:用交错级数判别法(莱布尼茨判别法)判断条件收敛

交错级数判别法要求两个核心条件:

  1. 通项的绝对值$\lim_{n\to\infty} a_n = 0$,其中$a_n = \frac{\sqrt{n}}{n+4}$;
  2. 数列${a_n}$单调递减。

先验证第一个条件:
$$\lim_{n\to\infty} \frac{\sqrt{n}}{n+4} = \lim_{n\to\infty} \frac{1}{\sqrt{n} + \frac{4}{\sqrt{n}}} = 0$$
这个很直观,分子是根号级增长,分母是线性增长,显然趋向于0。

接下来解决你纠结的点:${a_n}$是否单调递减
这里我们可以借助函数的单调性来判断——把离散的n换成连续变量x,定义函数:
$$f(x) = \frac{\sqrt{x}}{x+4}, \quad x \geq 1$$
对f(x)求导,看导数的符号:
$$f'(x) = \frac{\frac{1}{2\sqrt{x}}(x+4) - \sqrt{x} \cdot 1}{(x+4)^2} = \frac{(x+4) - 2x}{2\sqrt{x}(x+4)^2} = \frac{4 - x}{2\sqrt{x}(x+4)^2}$$
从导数可以看出:

  • 当x < 4时,导数为正,f(x)单调递增;
  • 当x > 4时,导数为负,f(x)单调递减。

也就是说,当n ≥ 5时,数列${a_n}$是单调递减的。而交错级数判别法只要求数列从某一项开始单调递减就行——前面有限项(n=1到4)的增减性不影响整个级数的敛散性,因为有限项的和是有限值,不会改变级数收敛与否的结果。

综上,原级数满足交错级数判别法的两个条件,因此它是条件收敛的。

内容的提问来源于stack exchange,提问作者Jonelle Yu

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