题目
已知级数sum_(n=1)^infty ((na)/(n+1) )^n(a >0),下列结论中不正确的是()A. a >1 时发散B. aC. a=1 时发散D. a=1 时收敛
已知级数$\sum_{n=1}^{\infty}\left (\frac{na}{n+1}\right )^{n}(a >0)$,下列结论中不正确的是()
A. $a >1$ 时发散
B. $a< 1$ 时收敛
C. $a=1$ 时发散
D. $a=1$ 时收敛
题目解答
答案
D. $a=1$ 时收敛
解析
本题考查正项级数敛散性的判别,主要思路是利用根值判别法来判断级数的敛散性,再对特殊情况进行单独分析。
- 根值判别法:
对于正项级数$\sum_{n = 1}^{\infty}u_n$,设$\lim\limits_{n \to \infty}\sqrt[n]{u_n}=\rho$,则当$\rho < 1$时,级数收敛;当$\rho > 1$(包括$\rho = +\infty$)时,级数发散;当$\rho = 1$时,根值判别法失效。
对于给定的级数$\sum_{n=1}^{\infty}\left (\frac{na}{n + 1}\right )^{n}(a > 0)$,令$u_n=\left (\frac{na}{n + 1}\right )^{n}$,则$\sqrt[n]{u_n}=\frac{na}{n + 1}$。
计算$\lim\limits_{n \to \infty}\sqrt[n]{u_n}=\lim\limits_{n \to \infty}\frac{na}{n + 1}$,分子分母同时除以$n$可得:
$\lim\limits_{n \to \infty}\frac{na}{n + 1}=\lim\limits_{n \to \infty}\frac{a}{1+\frac{1}{n}}$
因为$\lim\limits_{n \to \infty}\frac{1}{n}=0$,所以$\lim\limits_{n \to \infty}\frac{a}{1+\frac{1}{n}} = a$。 - 根据根值判别法判断敛散性:
- 当$a > 1$时,$\lim\limits_{n \to \infty}\sqrt[n]{u_n}=a>1$,根据根值判别法可知,级数$\sum_{n=1}^{\infty}\left (\frac{na}{n + 1}\right )^{n}$发散,所以选项A正确。
- 当$a < 1$时,$\lim\limits_{n \to \infty}\sqrt[n]{u_n}=a<1$,根据根值判别法可知,级数$\sum_{n=1}^{\infty}\left (\frac{na}{n + 1}\right )^{n}$收敛,所以选项B正确。
- 当$a = 1$时的情况:
当$a = 1$时,$u_n=\left (\frac{n}{n + 1}\right )^{n}$,则$\lim\limits_{n \to \infty}u_n=\lim\limits_{n \to \infty}\left (\frac{n}{n + 1}\right )^{n}$。
对$\left (\frac{n}{n + 1}\right )^{n}$进行变形可得$\left (\frac{n}{n + 1}\right )^{n}=\frac{1}{\left (1+\frac{1}{n}\right )^{n}}$。
根据重要极限$\lim\limits_{n \to \infty}\left (1+\frac{1}{n}\right )^{n}=e$,所以$\lim\limits_{n \to \infty}u_n=\lim\limits_{n \to \infty}\frac{1}{\left (1+\frac{1}{n}\right )^{n}}=\frac{1}{e}\neq 0$。
根据级数收敛的必要条件:若级数$\sum_{n = 1}^{\infty}u_n$收敛,则$\lim\limits_{n \to \infty}u_n = 0$,其逆否命题为:若$\lim\limits_{n \to \infty}u_n \neq 0$,则级数$\sum_{n = 1}^{\infty}u_n$发散。
所以当$a = 1$时,级数$\sum_{n=1}^{\infty}\left (\frac{na}{n + 1}\right )^{n}$发散,选项C正确,选项D错误。