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数学
题目

(2)已知级数①sum_(n=1)^inftysin(n^3pi)/(n^2)+1;②sum_(n=1)^infty(-1)^n((1)/(sqrt[3](n^2))-tan(1)/(sqrt[3](n^2))),则 (A.)①与②均条件收敛. (B.)①条件收敛,②绝对收敛 (C.)①绝对收敛,②条件收敛. (D.)①与②均绝对收敛.

(2)已知级数①$\sum_{n=1}^{\infty}\sin\frac{n^{3}\pi}{n^{2}+1}$;②$\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n}(\frac{1}{\sqrt[3]{n^{2}}}-\tan\frac{1}{\sqrt[3]{n^{2}}})$,则 (
A.)①与②均条件收敛. (
B.)①条件收敛,②绝对收敛 (
C.)①绝对收敛,②条件收敛. (
D.)①与②均绝对收敛.

题目解答

答案

为了确定级数①和②的收敛性,我们需要分别分析每个级数。 ### 级数①: $\sum_{n=1}^{\infty}\sin\frac{n^{3}\pi}{n^{2}+1}$ 首先,考虑项 $\sin\frac{n^3\pi}{n^2+1}$。对于大的 $n$,$\frac{n^3\pi}{n^2+1}$ 大约等于 $n\pi$。由于 $\sin(n\pi) = 0$ 对于任何整数 $n$,我们可以近似 $\sin\frac{n^3\pi}{n^2+1}$ 为 $\sin(n\pi - \frac{n\pi}{n^2+1})$。 使用正弦的小角近似,$\sin x \approx x$ 对于小的 $x$,我们得到: \[ \sin\left(n\pi - \frac{n\pi}{n^2+1}\right) \approx -\sin\left(\frac{n\pi}{n^2+1}\right) \approx -\frac{n\pi}{n^2+1} \approx -\frac{\pi}{n} \] 级数 $\sum_{n=1}^{\infty} -\frac{\pi}{n}$ 是一个发散的调和级数。然而,级数 $\sum_{n=1}^{\infty} \sin\frac{n^3\pi}{n^2+1}$ 是一个交错级数,因为 $\sin\frac{n^3\pi}{n^2+1}$ 的符号交替。根据莱布尼茨交错级数判别法,如果项的绝对值单调递减且趋于零,交错级数收敛。这里,$\left|\sin\frac{n^3\pi}{n^2+1}\right| \approx \frac{\pi}{n}$,这单调递减且趋于零。因此,级数①条件收敛。 ### 级数②: $\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n}\left(\frac{1}{\sqrt[3]{n^2}} - \tan\frac{1}{\sqrt[3]{n^2}}\right)$ 首先,考虑项 $\frac{1}{\sqrt[3]{n^2}} - \tan\frac{1}{\sqrt[3]{n^2}}$。对于小的 $x$,$\tan x \approx x + \frac{x^3}{3}$。设 $x = \frac{1}{\sqrt[3]{n^2}}$,则: \[ \tan\frac{1}{\sqrt[3]{n^2}} \approx \frac{1}{\sqrt[3]{n^2}} + \frac{1}{3n^2} \] 因此, \[ \frac{1}{\sqrt[3]{n^2}} - \tan\frac{1}{\sqrt[3]{n^2}} \approx \frac{1}{\sqrt[3]{n^2}} - \left(\frac{1}{\sqrt[3]{n^2}} + \frac{1}{3n^2}\right) = -\frac{1}{3n^2} \] 级数 $\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^n \left(-\frac{1}{3n^2}\right) = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{n+1}}{3n^2}$ 是一个交错级数,但项的绝对值是 $\frac{1}{3n^2}$,这是一个收敛的 $p$-级数(因为 $p = 2 > 1$)。因此,级数②绝对收敛。 ### 结论 级数①条件收敛,级数②绝对收敛。正确答案是: \[ \boxed{B} \]

解析

考查要点:本题主要考查级数的收敛性判断,涉及交错级数的莱布尼茨判别法、绝对收敛与条件收敛的判定,以及泰勒展开近似的应用。

解题思路:

  1. 级数①:通过分析通项中的正弦函数,利用小角近似和莱布尼茨判别法判断其条件收敛性。
  2. 级数②:对通项中的正切函数进行泰勒展开,化简后利用p-级数的绝对收敛性判断。

破题关键:

  • 级数①的关键在于将$\sin\frac{n^3\pi}{n^2+1}$近似为与$\frac{1}{n}$相关的交错项。
  • 级数②的关键是展开$\tan x$并简化通项,转化为绝对收敛的p-级数。

级数①:$\sum_{n=1}^{\infty}\sin\frac{n^{3}\pi}{n^{2}+1}$

化简通项

当$n$较大时,$\frac{n^3\pi}{n^2+1} \approx n\pi - \frac{n\pi}{n^2+1}$,利用正弦差角公式:
$\sin\left(n\pi - \frac{n\pi}{n^2+1}\right) = -(-1)^n \sin\left(\frac{n\pi}{n^2+1}\right).$

近似处理

当$n$较大时,$\frac{n\pi}{n^2+1} \approx \frac{\pi}{n}$,故:
$\sin\left(\frac{n\pi}{n^2+1}\right) \approx \frac{\pi}{n}.$

判别收敛性

通项近似为$(-1)^{n+1}\frac{\pi}{n}$,对应交错级数$\sum_{n=1}^\infty (-1)^{n+1}\frac{\pi}{n}$。由于$\frac{\pi}{n}$单调递减趋于零,根据莱布尼茨判别法,级数条件收敛。

级数②:$\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n}\left(\frac{1}{\sqrt[3]{n^{2}}}-\tan\frac{1}{\sqrt[3]{n^{2}}}\right)$

泰勒展开

当$x$较小时,$\tan x \approx x + \frac{x^3}{3}$,令$x = \frac{1}{\sqrt[3]{n^2}}$,则:
$\frac{1}{\sqrt[3]{n^2}} - \tan\frac{1}{\sqrt[3]{n^2}} \approx -\frac{1}{3n^2}.$

化简通项

通项变为:
$(-1)^n \left(-\frac{1}{3n^2}\right) = \frac{(-1)^{n+1}}{3n^2}.$

判别收敛性

绝对值级数$\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{3n^2}$是$p$-级数($p=2>1$),绝对收敛。

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