设 a_n > 0,下列命题中正确的是( ).A 若 sum_(n=1)^infty a_n 收敛,则 lim_(n to infty) (a_(n+1))/(a_n) leq 1.B 若 lim_(n to infty) n a_n = 0,则 sum_(n=1)^infty a_n 收敛;C 若 (a_(n+1))/(a_n) leq (1 - (1)/(n+1))^2,则 sum_(n=1)^infty a_n 收敛;D 若 sum_(n=1)^infty a_n 收敛,则 lim_(n to infty) n a_n = 0;
设 $a_n > 0$,下列命题中正确的是( ).
A 若 $\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ 收敛,则 $\lim_{n \to \infty} \frac{a_{n+1}}{a_n} \leq 1$.
B 若 $\lim_{n \to \infty} n a_n = 0$,则 $\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ 收敛;
C 若 $\frac{a_{n+1}}{a_n} \leq \left(1 - \frac{1}{n+1}\right)^2$,则 $\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ 收敛;
D 若 $\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ 收敛,则 $\lim_{n \to \infty} n a_n = 0$;
题目解答
答案
这是一道关于正项级数敛散性判定的选择题。我们需要逐一分析四个选项的正确性。
选项 A:若 $\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ 收敛,则 $\lim_{n \to \infty} \frac{a_{n+1}}{a_n} \leq 1$
这个命题是错误的。级数收敛并不能保证比值极限 $\lim_{n \to \infty} \frac{a_{n+1}}{a_n}$ 存在。
我们可以构造一个反例:
设 $a_n = \begin{cases} \frac{1}{n^2}, & n \text{ 为奇数} \\ \frac{1}{2^n}, & n \text{ 为偶数} \end{cases}$
因为 $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^2}$ 和 $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{2^n}$ 都收敛,所以级数 $\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ 收敛。
我们来计算比值 $\frac{a_{n+1}}{a_n}$:
当 $n$ 为奇数时,$n+1$ 为偶数,$\frac{a_{n+1}}{a_n} = \frac{1/2^{n+1}}{1/n^2} = \frac{n^2}{2^{n+1}} \to 0$ ($n \to \infty$);
当 $n$ 为偶数时,$n+1$ 为奇数,$\frac{a_{n+1}}{a_n} = \frac{1/(n+1)^2}{1/2^n} = \frac{2^n}{(n+1)^2} \to +\infty$ ($n \to \infty$)。
因此,$\lim_{n \to \infty} \frac{a_{n+1}}{a_n}$ 不存在,更谈不上 $\leq 1$。
选项 B:若 $\lim_{n \to \infty} n a_n = 0$,则 $\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ 收敛
这个命题是错误的。$\lim_{n \to \infty} n a_n = 0$ 是一个比 $a_n$ 是无穷小量更强的条件,但依然不足以保证级数收敛。
反例:取 $a_n = \frac{1}{n \ln(n+1)}$ ($n \geq 1$)。
计算极限:$\lim_{n \to \infty} n a_n = \lim_{n \to \infty} \frac{n}{n \ln(n+1)} = \lim_{n \to \infty} \frac{1}{\ln(n+1)} = 0$。
但是,级数 $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n \ln(n+1)}$ 是发散的(可以通过积分判别法证明,$\int \frac{1}{x \ln x} dx = \ln(\ln x)$ 发散)。
选项 C:若 $\frac{a_{n+1}}{a_n} \leq \left(1 - \frac{1}{n+1}\right)^2$,则 $\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ 收敛
这个命题是正确的。我们来推导一下。
已知条件为 $\frac{a_{n+1}}{a_n} \leq \left(1 - \frac{1}{n+1}\right)^2 = \left(\frac{n}{n+1}\right)^2 = \frac{n^2}{(n+1)^2}$。
因为 $a_n > 0$,我们可以将不等式变形为 $\frac{a_{n+1}}{a_n} \leq \frac{n^2}{(n+1)^2}$。
对于 $n \geq 1$,我们可以写出:
$a_2 \leq a_1 \cdot \frac{1^2}{2^2}$
$a_3 \leq a_2 \cdot \frac{2^2}{3^2} \leq a_1 \cdot \frac{1^2}{2^2} \cdot \frac{2^2}{3^2} = a_1 \cdot \frac{1^2}{3^2}$
$a_4 \leq a_3 \cdot \frac{3^2}{4^2} \leq a_1 \cdot \frac{1^2}{3^2} \cdot \frac{3^2}{4^2} = a_1 \cdot \frac{1^2}{4^2}$
一般地,通过累乘可以得到 $a_n \leq a_1 \cdot \frac{1^2}{n^2} = \frac{a_1}{n^2}$。
因为 $p$ 级数 $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^2}$ 是收敛的($p=2 > 1$),根据比较判别法,正项级数 $\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ 也收敛。
选项 D:若 $\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ 收敛,则 $\lim_{n \to \infty} n a_n = 0$
这个命题是错误的。即使正项级数收敛,$n a_n$ 的极限也不一定存在,更不一定为 0。
反例:构造一个级数,使其在绝大多数项上衰减很快,但在某些特定的项上衰减较慢。
设 $a_n = \begin{cases} \frac{1}{n}, & n = k^2 \text{ (即 } n=1, 4, 9, 16, \dots \text{)} \\ \frac{1}{n^2}, & n \neq k^2 \end{cases}$
级数 $\sum_{n=1}^{\infty} a_n = \sum_{k=1}^{\infty} a_{k^2} + \sum_{n \neq k^2} a_n = \sum_{k=1}^{\infty} \frac{1}{k^2} + \sum_{n \neq k^2} \frac{1}{n^2}$。
因为 $\sum_{k=1}^{\infty} \frac{1}{k^2}$ 收敛,且 $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^2}$ 收敛,所以 $\sum_{n \neq k^2} \frac{1}{n^2}$ 也收敛。因此 $\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ 收敛。
但是,当 $n = k^2$ 时,$n a_n = k^2 \cdot \frac{1}{k^2} = 1$。
当 $n$ 取其他值时,$n a_n = n \cdot \frac{1}{n^2} = \frac{1}{n} \to 0$。
由于子序列 $n a_{k^2} = 1$ 不趋于 0,所以 $\lim_{n \to \infty} n a_n$ 不存在,不等于 0。
综上所述,正确的命题是 C。
正确答案:C