3. 判别下列级数的绝对收敛性与收敛性:(1) sum_(n=1)^infty (i^n)/(n); (2) sum_(n=2)^infty (i^n)/(ln n);(3) sum_(n=0)^infty ((6+5i)^n)/(8^n); (4) sum_(n=0)^infty (cos in)/(2^n).
题目解答
答案
(1) 级数 $\sum_{n=1}^\infty \frac{i^n}{n}$ 的实部和虚部分别为交错级数,收敛,但绝对值级数 $\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n}$ 发散,故条件收敛。
(2) 级数 $\sum_{n=2}^\infty \frac{i^n}{\ln n}$ 的实部和虚部分别为交错级数,收敛,但绝对值级数 $\sum_{n=2}^\infty \frac{1}{\ln n}$ 发散,故条件收敛。
(3) 级数 $\sum_{n=0}^\infty \frac{(6+5i)^n}{8^n}$ 的绝对值级数 $\sum_{n=0}^\infty \left( \frac{\sqrt{61}}{8} \right)^n$ 收敛,故绝对收敛。
(4) 级数 $\sum_{n=0}^\infty \frac{\cos in}{2^n}$ 的通项 $\frac{\cosh n}{2^n}$ 中,$\cosh n$ 增长速度超过 $\frac{1}{2^n}$,级数发散。
答案:
(1) 条件收敛
(2) 条件收敛
(3) 绝对收敛
(4) 发散
$\boxed{\begin{array}{cccc}\text{(1) 条件收敛} \\\text{(2) 条件收敛} \\\text{(3) 绝对收敛} \\\text{(4) 发散}\end{array}}$
解析
考查要点:
本题主要考查复数项级数的收敛性判别,需区分绝对收敛与条件收敛。解题核心思路为:
- 分解复数级数为实部与虚部,分别判断是否收敛;
- 判断绝对值级数(即各项模长构成的级数)是否收敛,决定绝对收敛性;
- 若绝对值级数发散,但原级数收敛,则为条件收敛。
关键点:
- 复数单位i的周期性($i^n$的循环性);
- 交错级数判别法(莱布尼茨判别法);
- 几何级数的收敛性(公比绝对值是否小于1);
- 双曲余弦函数的增长性($\cosh n$的增长速度)。
第(1)题
级数:$\sum_{n=1}^\infty \frac{i^n}{n}$
分解实部与虚部
$i^n$的周期为4,分解后:
- 实部:$n \equiv 1,3 \pmod{4}$时为0,$n \equiv 0 \pmod{4}$时为$\frac{1}{n}$,$n \equiv 2 \pmod{4}$时为$-\frac{1}{n}$,即实部为$\sum \frac{(-1)^{k}}{2k}$(交错级数);
- 虚部:$n \equiv 0,2 \pmod{4}$时为0,$n \equiv 1 \pmod{4}$时为$\frac{1}{n}$,$n \equiv 3 \pmod{4}$时为$-\frac{1}{n}$,即虚部为$\sum \frac{(-1)^{k}}{2k+1}$(交错级数)。
判别收敛性
实部与虚部分别满足莱布尼茨判别法,故原级数收敛。
绝对值级数为$\sum \frac{1}{n}$(调和级数),发散。
结论:条件收敛。
第(2)题
级数:$\sum_{n=2}^\infty \frac{i^n}{\ln n}$
分解实部与虚部
同理分解为实部与虚部,均为交错级数,且$\frac{1}{\ln n}$单调递减趋于0,故原级数收敛。
绝对值级数为$\sum \frac{1}{\ln n}$,与$\sum \frac{1}{n}$比较($\lim \frac{\ln n}{n} = 0$),发散。
结论:条件收敛。
第(3)题
级数:$\sum_{n=0}^\infty \frac{(6+5i)^n}{8^n}$
计算模长
复数$6+5i$的模为$\sqrt{6^2 + 5^2} = \sqrt{61}$,故通项模长为$\left( \frac{\sqrt{61}}{8} \right)^n$。
绝对值级数为几何级数,公比$r = \frac{\sqrt{61}}{8} \approx 0.927 < 1$,故绝对收敛。
第(4)题
级数:$\sum_{n=0}^\infty \frac{\cos in}{2^n}$
化简通项
利用$\cos in = \cosh n$(双曲余弦函数),通项为$\frac{\cosh n}{2^n}$。
发散性分析:$\cosh n \sim \frac{e^n}{2}$,故通项$\sim \frac{e^n}{2^{n+1}} = \left( \frac{e}{2} \right)^n \cdot \frac{1}{2}$,公比$r = \frac{e}{2} > 1$,级数发散。