若级数 sum_(n=1)^infty u_n 收敛于 S,则级数 sum_(n=1)^infty (u_n + u_(n+1))().A. 收敛于 2SB. 收敛于 2S + u_1C. 收敛于 2S - u_1D. 发散
A. 收敛于 $2S$
B. 收敛于 $2S + u_1$
C. 收敛于 $2S - u_1$
D. 发散
题目解答
答案
解析
本题考查级数收敛的性质以及级数和的计算。解题思路是先将级数$\sum_{n = 1}^{\infty}(u_n + u_{n + 1})$的前$n$项和$S_n$表示出来,再根据已知条件$\sum_{n = 1}^{\infty}u_n$收敛于$S$,求出$\lim\limits_{n \to \infty}S_n$,进而得到级数$\sum_{n = 1}^{\infty}(u_n + u_{n + 1})$的和。
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求级数$\sum_{n = 1}^{\infty}(u_n + u_{n + 1})$的前$n$项和$S_n$:
$S_n=(u_1 + u_2)+(u_2 + u_3)+(u_3 + u_4)+\cdots +(u_n + u_{n + 1})$
将上式展开并重新组合可得:
$S_n=u_1 + 2u_2 + 2u_3 + \cdots + 2u_n + u_{n + 1}=u_1 + 2(u_2 + u_3 + \cdots + u_n)+u_{n + 1}$
因为$\sum_{n = 1}^{\infty}u_n$的前$n$项和为$T_n=u_1 + u_2 + u_3 + \cdots + u_n$,所以$u_2 + u_3 + \cdots + u_n=T_n - u_1$,则$S_n$可表示为:
$S_n=u_1 + 2(T_n - u_1)+u_{n + 1}=2T_n - u_1 + u_{n + 1}$ -
求$\lim\limits_{n \to \infty}S_n$:
已知级数$\sum_{n = 1}^{\infty}u_n$收敛于$S$,根据级数收敛的定义可知$\lim\limits_{n \to \infty}T_n = S$。
又因为$\sum_{n = 1}^{\infty}u_n$收敛,则$\lim\limits_{n \to \infty}u_n = 0$,所以$\lim\limits_{n \to \infty}u_{n + 1} = 0$。
对$S_n=2T_n - u_1 + u_{n + 1}$两边同时取$n \to \infty$的极限可得:
$\lim\limits_{n \to \infty}S_n=\lim\limits_{n \to \infty}(2T_n - u_1 + u_{n + 1})$
根据极限的四则运算法则$\lim\limits_{n \to \infty}(a_n + b_n)=\lim\limits_{n \to \infty}a_n + \lim\limits_{n \to \infty}b_n$,可得:
$\lim\limits_{n \to \infty}S_n=2\lim\limits_{n \to \infty}T_n - \lim\limits_{n \to \infty}u_1 + \lim\limits_{n \to \infty}u_{n + 1}$
将$\lim\limits_{n \to \infty}T_n = S$,$\lim\limits_{n \to \infty}u_1 = u_1$,$\lim\limits_{n \to \infty}u_{n + 1} = 0$代入上式可得:
$\lim\limits_{n \to \infty}S_n=2S - u_1 + 0 = 2S - u_1$ -
根据级数收敛的定义判断级数$\sum_{n = 1}^{\infty}(u_n + u_{n + 1})$的敛散性并求其和:
因为$\lim\limits_{n \to \infty}S_n = 2S - u_1$存在,所以级数$\sum_{n = 1}^{\infty}(u_n + u_{n + 1})$收敛,且其和为$2S - u_1$。