3.使级数sum_(n=1)^infty(-1)^nu_(n)收敛的条件是()A. sum_(n=1)^infty|u_(2n)|收敛;B. sum_(n=1)^inftyu_(n)收敛;C. u_(n)}单调且趋近于零;D. sum_(n=1)^inftyu_(n)^2收敛.
A. $\sum_{n=1}^{\infty}|u_{2n}|$收敛;
B. $\sum_{n=1}^{\infty}u_{n}$收敛;
C. $u_{n}$}单调且趋近于零;
D. $\sum_{n=1}^{\infty}u_{n}^{2}$收敛.
题目解答
答案
解析
本题考查级数收敛的相关知识,主要是判断使级数$\sum_{n = 1}^{\infty}(-1)^{n}u_{n}$收敛的条件,需要对每个选项逐一分析。
选项A
若$\sum_{n = 1}^{\infty}|u_{2n}|$收敛,只能说明级数$\sum_{n = 1}^{\infty}u_{2n}$绝对收敛,但不能得出$\sum_{n = 1}^{\infty}(-1)^{n}u_{n}$收敛。
例如,取$u_{n}=\begin{cases}1, & n为偶数\\0, & n为奇数\end{cases}$,此时$\sum_{n = 1}^{\infty}|u_{2n}|=\sum_{n = 1}^{\infty}1$是发散的,不过即使假设$\sum_{n = 1}^{\infty}|u_{2n}|$收敛,对于$\sum_{n = 1}^{\infty}(-1)^{n}u_{n}$,其部分和$S_{n}$的敛散性无法由$\sum_{n = 1}^{\infty}|u_{2n}|$收敛来确定,所以该选项错误。
选项B
若$\sum_{n = 1}^{\infty}u_{n}$收敛,设$\sum_{n = 1}^{\infty}u_{n}=S$,即$\lim_{n\rightarrow\infty}S_{n}=\lim_{n\rightarrow\infty}\sum_{k = 1}^{n}u_{k}=S$。
对于级数$\sum_{n = 1}^{\infty}(-1)^{n}u_{n}$,设其部分和为$T_{n}=\sum_{k = 1}^{n}(-1)^{k}u_{k}$。
$T_{2n}=\sum_{k = 1}^{2n}(-1)^{k}u_{k}=( - u_{1}+u_{2})+( - u_{3}+u_{4})+\cdots+( - u_{2n - 1}+u_{2n})$
$T_{2n + 1}=T_{2n}-u_{2n + 1}$
因为$\sum_{n = 1}^{\infty}u_{n}$收敛,那么$\lim_{n\rightarrow\infty}u_{n}=0$。
$\lim_{n\rightarrow\infty}T_{2n}=\lim_{n\rightarrow\infty}\sum_{k = 1}^{n}(u_{2k}-u_{2k - 1})$,又因为$\sum_{n = 1}^{\infty}u_{n}$收敛,所以$\lim_{n\rightarrow\infty}T_{2n}$存在。
$\lim_{n\rightarrow\infty}T_{2n + 1}=\lim_{n\rightarrow\infty}(T_{2n}-u_{2n + 1})=\lim_{n\rightarrow\infty}T_{2n}-\lim_{n\rightarrow\infty}u_{2n + 1}=\lim_{n\rightarrow\infty}T_{2n}$
所以$\lim_{n\rightarrow\infty}T_{n}$存在,即$\sum_{n = 1}^{\infty}(-1)^{n}u_{n}$收敛,该选项正确。
选项C
仅$\{u_{n}\}$单调且趋近于零,不能保证$\sum_{n = 1}^{\infty}(-1)^{n}u_{n}$收敛。
例如,取$u_{n}=\frac{(-1)^{n}}{n}$,$\{u_{n}\}$不单调;再如$u_{n}=\frac{1 + (-1)^{n}}{n}$,$\lim_{n\rightarrow\infty}u_{n}=0$且$u_{n}$有一定单调性,但$\sum_{n = 1}^{\infty}(-1)^{n}u_{n}$的敛散性不能仅由$\{u_{n}\}$单调且趋近于零来确定。
根据莱布尼茨判别法,对于交错级数$\sum_{n = 1}^{\infty}(-1)^{n}u_{n}(u_{n}\gt0)$,需要$u_{n}\geq u_{n + 1}(n = 1,2,\cdots)$且$\lim_{n\rightarrow\infty}u_{n}=0$才能保证收敛,这里没有明确$u_{n}\gt0$,所以该选项错误。
选项D
若$\sum_{n = 1}^{\infty}u_{n}^{2}$收敛,只能说明$\lim_{n\rightarrow\infty}u_{n}=0$,但不能得出$\sum_{n = 1}^{\infty}(-1)^{n}u_{n}$收敛。
例如,取$u_{n}=\frac{1}{n}$,$\sum_{n = 1}^{\infty}u_{n}^{2}=\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{1}{n^{2}}$收敛,但$\sum_{n = 1}^{\infty}(-1)^{n}u_{n}=\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{(-1)^{n}}{n}$虽然收敛,但这只是特殊情况,不能由$\sum_{n = 1}^{\infty}u_{n}^{2}$收敛就推出$\sum_{n = 1}^{\infty}(-1)^{n}u_{n}$收敛,所以该选项错误。