下列正项级数中,收敛的是() A. sum_(n=1)^infty (n)/(2^n). B. sum_(n=1)^infty (2n^2)/((n!)^2). C. sum_(n=1)^infty (n^n)/(n!). D. sum_(n=1)^infty (2^n)/(n(n+1)). E. sum_(n=1)^infty (n+1)/(n^n). F. sum_(n=1)^infty n^2 sin (pi)/(2^n).
题目解答
答案
为了确定给定的正项级数中哪些是收敛的,我们将使用各种收敛测试,如比值测试、根测试、比较测试和积分测试。让我们逐步分析每个级数。 级数 A: $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{n}{2^n}$ 我们可以使用比值测试。设 $a_n = \frac{n}{2^n}$。那么, $a_{n+1} = \frac{n+1}{2^{n+1}}.$ 比值 $\frac{a_{n+1}}{a_n}$ 是 $\frac{a_{n+1}}{a_n} = \frac{\frac{n+1}{2^{n+1}}}{\frac{n}{2^n}} = \frac{n+1}{2n}.$ 当 $n \to \infty$ 时,这个比值的极限是 $\lim_{n \to \infty} \frac{n+1}{2n} = \frac{1}{2}.$ 由于 $\frac{1}{2} < 1$,级数根据比值测试是收敛的。 级数 B: $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{2n^2}{(n!)^2}$ 我们可以使用比值测试。设 $a_n = \frac{2n^2}{(n!)^2}$。那么, $a_{n+1} = \frac{2(n+1)^2}{((n+1)!)^2} = \frac{2(n+1)^2}{(n+1)^2 (n!)^2} = \frac{2}{(n!)^2}.$ 比值 $\frac{a_{n+1}}{a_n}$ 是 $\frac{a_{n+1}}{a_n} = \frac{\frac{2}{(n!)^2}}{\frac{2n^2}{(n!)^2}} = \frac{1}{n^2}.$ 当 $n \to \infty$ 时,这个比值的极限是 $\lim_{n \to \infty} \frac{1}{n^2} = 0.$ 由于 $0 < 1$,级数根据比值测试是收敛的。 级数 C: $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{n^n}{n!}$ 我们可以使用比值测试。设 $a_n = \frac{n^n}{n!}$。那么, $a_{n+1} = \frac{(n+1)^{n+1}}{(n+1)!} = \frac{(n+1)^{n+1}}{(n+1)n!} = \frac{(n+1)^n}{n!}.$ 比值 $\frac{a_{n+1}}{a_n}$ 是 $\frac{a_{n+1}}{a_n} = \frac{\frac{(n+1)^n}{n!}}{\frac{n^n}{n!}} = \left(\frac{n+1}{n}\right)^n = \left(1 + \frac{1}{n}\right)^n.$ 当 $n \to \infty$ 时,这个比值的极限是 $\lim_{n \to \infty} \left(1 + \frac{1}{n}\right)^n = e.$ 由于 $e > 1$,级数根据比值测试是发散的。 级数 D: $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{2^n}{n(n+1)}$ 我们可以使用比较测试。注意 $\frac{2^n}{n(n+1)} \geq \frac{2^n}{(n+1)^2}.$ 级数 $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{2^n}{(n+1)^2}$ 是一个底数大于1的指数级数除以一个多项式,它是发散的。因此,根据比较测试,级数 $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{2^n}{n(n+1)}$ 是发散的。 级数 E: $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{n+1}{n^n}$ 我们可以使用根测试。设 $a_n = \frac{n+1}{n^n}$。那么, $\sqrt[n]{a_n} = \sqrt[n]{\frac{n+1}{n^n}} = \frac{\sqrt[n]{n+1}}{n}.$ 当 $n \to \infty$ 时,这个表达式的极限是 $\lim_{n \to \infty} \frac{\sqrt[n]{n+1}}{n} = \frac{1}{\infty} = 0.$ 由于 $0 < 1$,级数根据根测试是收敛的。 级数 F: $\sum_{n=1}^{\infty} n^2 \sin \frac{\pi}{2^n}$ 我们可以使用比较测试。注意对于大的 $n$,$\sin \frac{\pi}{2^n} \approx \frac{\pi}{2^n}$。因此, $n^2 \sin \frac{\pi}{2^n} \approx n^2 \frac{\pi}{2^n} = \frac{\pi n^2}{2^n}.$ 级数 $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{\pi n^2}{2^n}$ 是一个底数大于1的指数级数除以一个多项式,它是收敛的。因此,根据比较测试,级数 $\sum_{n=1}^{\infty} n^2 \sin \frac{\pi}{2^n}$ 是收敛的。 收敛的级数是 A, B, E, 和 F。因此,答案是 $\boxed{A, B, E, F}.$