Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Higher_Mathematics_Part_3

.pdf
Скачиваний:
304
Добавлен:
19.02.2016
Размер:
9.11 Mб
Скачать

1.4. Tests for Convergence of Positive Terms Series

Comparison tests for positive terms series make it possible to define whether a number series is convergent (divergent) or not by comparing it with another series that is known as convergent (divergent).

Theorem 7

(Comparison test for positive terms series). Let

 

 

 

 

 

 

 

 

a1 + a2 + ... + an + ... = an ,

 

(1.8)

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b1 + b2 + ... + bn + ... = bn ,

 

(1.9)

 

 

 

n=1

 

 

be two series of positive terms, so that

 

 

 

 

0 an bn

 

(1.10)

 

 

 

for all n. Then, if

bn converges,

an converges as well; and if

an di-

n=1

n=1

 

n=1

 

 

 

 

verges, then bn

diverges as well.

 

 

 

n=1

 

 

 

 

Proof. We form the partial sums of (1.8) and (1.9)

 

 

 

 

Sn = a1 + a2 + ... + an , σn = b1 + b2 + ...+ bn .

 

 

It follows from (1.10) that Sn ≤ σn

for all n = 1, 2, ....

lim σn

= σ of its

(1) Suppose that series (1.9) converges, i. e, there exists

 

 

 

 

n→∞

 

partial sum. Since the terms of these series are positive, then

0 < σn < σ, and it

follows by (1.10) that 0 < Sn < σ for n = 1, 2, ... .

Thus, all the partial sums Sn of (1.8) are bounded and increase with n, since an > 0 for all n. Consequently, the sequence of partial sums {Sn } is convergent,

i. e., there exists lim Sn = S, which implies that

an is a convergent series.

n→∞

n=1

Now, from the inequality 0 < Sn < σ, which holds for all natural n, we ob-

tain the inequality

0 S ≤ σ if n → ∞, i. e., the sum S of (1.8) does not exceed

the sum σ of the convergent series (1.9).

 

 

 

(2) Suppose that an diverges. Since all an > 0, then Sn increases with n,

and hence lim Sn

n=1

σn Sn (n = 1, 2, ...) we get

= + ∞. From the inequality

n→∞

 

 

lim σn = + ∞, i. e.,

 

bn diverges.

 

n→∞

n=1

 

 

 

Remark 1. Theorem 7 is valid even when (1.10) holds not for all n, but only

begins with some k, i.e., for all n k, since when we drop a finite number of terms in the beginning, we do not violate the convergence of the series.

11

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

Remark 2. Theorem 7 is also valid for a more general inequality an ≤ λbn (λan bn ) (n = 1, 2, ...), where (λ > 0).

Theorem 8 (Comparison test for positive terms series). If there exists a finite nonzero

lim

an

= L

(0 < L < +∞),

 

n→∞ b

 

 

 

n

 

 

then (1.8) and (1.9) converge or diverge simultaneously.

Proof. Indeed, from the existence of the above limit it follows that for any ε > 0 is subjected to the condition L — ε > 0, there exists a number N such that

for all n > N

 

 

 

 

an

L

< ε.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

an

 

 

 

n

 

 

or L − ε <

< L + ε.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

n

< (L + ε)bn

for n > N.

 

Hence (L − ε)bn < an

 

 

 

 

 

 

 

If (1.9) converges,

so does

(L + ε)bn . But since an < (L + ε)bn

for

 

 

 

 

 

n=1

 

n > N, then, by Theorem 7, series (1.8) will converge as well.

 

 

 

 

 

 

 

< an

If (1.9) diverges then

(L − ε)bn diverges as well. And since (L − ε)bn

 

 

 

n=1

 

 

 

 

for n > N, then, by Theorem 7, series (1.8) also diverges.

D’Alembert’s test for convergence of a series is given by the following theorem.

Theorem 9 (D’Alembert’s test). Consider an , where an > 0. If there exists

n=1

lim an+1 = l,

n→∞ an

then for 0 l < 1 the series converges, and for l > 1 the series diverges.

Proof. Suppose that there exists the finite limit lim

an+1

= l, where

a

n→∞

 

 

n

 

l < 1. Take any number q so that l < q < 1. Then, for any ε > 0, e. g., for ε = q – l, there exists a number N such that for all n N we will have

an + 1 l < q – l. an

12

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

Specifically, we will have

 

 

 

 

an+1

l < q – l or

an+1

< q.

 

a

a

 

 

 

 

n

 

n

 

Hence an+1 < an q for all n N. From the latter inequality we will obtain, if n assumes the values N, N + 1, N + 2, ...

aN +1 < aN q,

aN + 2 < aN +1q < aN q2 , aN + 3 < aN + 2q < aN q3 ,

.................................

So, the terms of the series

aN +1 + aN + 2 + aN + 3 + ...

are not larger than the corresponding terms of the series aN q + aN q2 + aN q3 + ...,

which converges as a series of the terms of a geometric progression with the ratio

q, where 0 < q < 1. According to comparison test, the series

aN +1 + aN + 2 +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+aN + 3 + ... converges, and hence an converges too.

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

If l > 1, then beginning with a certain number N we will have

 

 

 

 

 

aN+1

>1 or aN +1 > aN > 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aN

 

 

 

 

Consequently, lim an 0

 

 

 

diverges, since the required

and the series an

 

n→∞

 

 

 

n=1

 

 

test for convergence is not satisfied.

 

 

 

 

 

 

Remark. If lim

an+1

= 1,

then the D’Alembert’s test gives no answer as to

 

 

n→∞ a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

whether a series converges or not.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Theorem 10

(Cauchy’s test). Consider the series

an , an > 0,

n = 1, 2, ... . If

 

there exists a finite

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim n a = λ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

then for 0 ≤ λ < 1 the series converges, and for λ > 1 diverges.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

Proof. (1) Let λ < 1 . We take q

such that λ < q < 1. Since there exists

lim n a = λ, where λ < q,

then beginning with a certain number N we will

n→∞

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N. And so the terms from aN +1 are

have

n an = q,

whence an

= qn for n

 

 

 

 

 

 

 

By the

smaller than the corresponding terms of the convergent series qn .

 

 

 

 

 

 

n= N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

comparison test

qn converges, and hence an converges too.

 

 

 

 

 

 

n= N

 

n=1

 

 

 

(2) Let λ > 1.

 

 

 

 

 

Then, beginning with a certain N and for all n > N, we will have

n a

n

> 1 or

 

 

 

 

 

 

 

 

an > 1. Accordingly, lim an

 

 

 

 

0 and the series an diverges.

 

 

 

 

 

 

n→∞

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Remark. If λ = 1, then

an can either converge or diverge.

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Theorem 11

 

(Integral test). Let a series an be positive, i.e. an

0. Let a

 

 

 

 

 

n=1

 

1 so

 

 

 

 

 

 

function f(x) be defined, continuous, positive and nonincreasing for x

that f (n) = an . Then the number series

 

 

 

an converges, if and only if the inte-

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

+∞

 

+∞

 

 

 

gral

f (x)dx converges and an a1

+ f (x)dx.

 

 

 

 

1

 

 

n=1

1

 

 

 

Remark. The theorem also holds for x a,

where a is any number larger

than unity.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Example. Examine

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1p

= 1+ 1p

+ 1p + ... + 1p + ...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i=1 n

2

3

 

 

n

 

for convergence.

Using the Integral test, we shall investigate the behaviour of this series. We

have f (n) =

1

 

 

,

the former satisfying the condition of Integral test. The im-

n p

 

 

1

 

 

 

 

 

dx is known to converge for p > 1 and diverge for p 1.

proper integral

 

 

p

 

 

1

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hence,

the

 

series

1

converges when p > 1 and diverges when

 

p

p 1.

 

 

 

 

 

i=1 n

 

 

 

 

 

 

 

 

14

 

 

 

 

 

 

 

 

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

Specifically,

if p = 1 we

will have the harmonic series

1+

1

+

1

+ ...

2

 

 

1

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

... +

+ ... =

1

, and diverges which has already been shown.

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

n=1 n

+∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Remark. In the integral

f (x)dx the lower limit may be taken arbitrary,

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

e.g., m, where m 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.5. Alternating Series. Leibniz’ Test

 

 

 

 

 

Definition. The number series

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a1 a2 + a3 ... + (1)n1 an + ... = (1)n+1 an

 

 

 

(1.11)

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

where an > 0 (n = 1, 2, ...) is called the alternating series. For example, the series 112 + 13 14 + ... .

is an alternating one.

The following test, known as the Leibniz’s test, holds for alternating series.

Theorem 12

(Leibniz’ test). Suppose that in the alternating series (1.11) all

 

 

an are such that

 

 

1)

a1 > a2

> a3 > ... > an > ...

and

lim an

= 0.

2)

 

n→∞

 

Then, the series converges, its sum S is positive and does not exceed the first

term, i.e., 0 < S a1.

Proof. We take the even partial sum S2n and write it as

 

S2n = a1 a2 + a3 a4 + ... + a2n1 a2n =

 

= (a1 a2 ) + (a3 a4 ) + ... + (a2n1 a2n ).

where each difference is positive (from the given condition 1). It follows that

 

S2n a1 (a2 a3 ) (a4 a5 ) ... (a2n2 a2n1 ) a2n a1.

The

sequence {S2n } thus increases monotonically and is bounded i.e.,

0 < S2n

a1 for all n.

 

15

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

Consequently, it has the limit

lim S2n

= S so that 0 < S a1.

 

n→∞

 

The odd partial sum S2n+1 will be

 

S2n+1 = S2n + a2n+1

(n = 1, 2, ...).

We have proved that lim S2n

= S, i. e., the series converges. In particular,

n→∞

 

 

from the inequality 0 < S a1 it follows that the sum of the series is positive. Remark. The theorem is valid if the condition at which {S2n } is monotonic

is met starting with a certain N for all n N, so that the discarding of a finite number of terms does not change the convergence of the series.

1.6. Absolute and Conditional Convergence

Let’s consider the series

a1 + a2 + a3 + ... + an + ...

and prove the following theorem:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Theorem 13

If the series

an

 

 

 

 

converges, then the series an converges as

 

well.

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Proof. From the inequality

 

an

 

an

 

an

 

we get 0 an +

 

an

 

2

 

an

 

for

 

 

 

 

 

 

 

 

(n = 1, 2, ...).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Let the series

 

an

 

 

be convergent, then the series

2

 

an

 

 

will be conver-

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

gent, and from the comparison test the series

(an +

an

) will be convergent

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

too. But an

is the difference of two convergent series

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(an +

 

an

 

)

 

an

 

= an ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

therefore it will converge.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Corollary. If

an

 

converges, then we have

 

an

an

.

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

When examining

an

 

for convergence we can make use of all sufficient

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

tests established for series of positive terms.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

Remark. Generally speaking, the convergence of an does not suggest the

n=1

convergence of an , i.e. the theorem only gives a sufficient condition for

n=1

convergence of an .

n=1

Definition. The series of positive and negative terms an is called abso-

n=1

lutely convergent, if the series an converges.

n=1

The series an is called conditionally convergent if it converges and the

n=1

series an diverges.

n=1

Micromodule 1

EXAMPLES OF PROBLEMS SOLUTION

Example 1. Prove that the series

 

 

 

1 +

 

1

 

+ ...+

 

 

 

 

 

1

 

 

 

+

... =

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 2

 

 

2 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n(n +1)

 

 

 

 

 

 

n=1

n(n +1)

 

 

 

 

 

converges.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. We consider the nth partial sum of the series

 

 

 

 

 

Sn = 1

 

+

 

 

1

+ ...+

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

+ ... =

1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 2

 

 

 

2 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n(n +1)

 

 

 

 

 

n=1

n(n +1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

we represent Sn in such form

Using the usual relation

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n(n+1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S =

1

 

 

+

 

 

1

 

+

1

 

 

+ ...+

 

 

1

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

1 2 2 3 3 4

 

 

 

 

 

 

n(n +1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

 

 

 

 

1

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

= 1

 

+

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

+ ...+

 

 

 

 

 

 

 

= 1

 

.

2

 

 

3

3

 

 

 

 

 

 

n

+1

n +1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

Passing to the limit as n → ∞,

 

we are having

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim Sn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= lim 1

 

 

 

 

 

= 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

+ 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

By the definition the series converges and its sum is S = 1.

17

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

Example 2. Prove that the series

 

 

 

 

 

1

+ 1

 

+

 

 

 

1

 

 

 

+...+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

+... =

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 4

 

 

 

4 7

 

 

7 10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3n2)(3n+1)

 

 

 

 

 

 

 

n=1

(3n2)(3n+1)

 

 

 

 

 

 

 

converges.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. We represent Sn

 

 

in the form of

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

=

 

 

1

 

+

1

 

 

+

 

 

 

1

 

 

+...+

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 4

4 7

7

10

 

(3n2)(3n+1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

1

 

1

 

1

 

 

1

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

=

 

 

1

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+...+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

1

 

 

.

 

 

 

3

 

 

 

 

3

4

7

3

7

10

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3n2

 

 

 

3n+1

 

 

3n+1

 

 

Passing to the limit as n → ∞,

we are having

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim Sn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= lim

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3n

+ 1

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

By the definition

the

 

series

 

 

 

converges

and

 

 

 

its

sum

 

 

is

S =

,

or

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

= 1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

(3n2)(3n+1)

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Example 3. The number series

 

2 + cos π + ... = cos π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ 0 +

1 +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

diverges, since

 

 

lim a

 

= lim cos π = cos0 = 1 0 (corollary of theorem 6).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

n

 

 

 

 

n→∞

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Example 4. The series

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11+ 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ ... = (1)n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= lim(1)n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

diverges, since

 

 

lim a

 

 

 

does not exist.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

n

 

 

 

 

n→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Example 5. Investigate the number series

 

 

for convergence.

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. We have

 

lim a

= lim

 

 

 

= 0 but the given series diverges.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

 

 

n

 

 

 

 

n→∞

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Let’s consider the partial sum

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sn = 1+

 

1

 

 

+

1

 

+ ... +

 

 

1

 

 

>

 

 

 

1

 

+

 

 

1

 

 

+

 

1

 

+ ... +

1

 

 

 

= n

 

1

 

 

= n.

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

n

 

 

n

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

then

Sn >

 

 

n .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

Passing to the limit we obtain

lim Sn = ∞.

n→∞

Hence the given series diverges. Example 6. Examine the series

 

1+ 5 +

7 + ... + 2n + 1 + ... = 2n + 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 5

 

 

 

 

 

 

 

n + 2

 

 

n=1

n + 2

 

for convergence

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2n + 1

 

 

 

 

 

 

 

Solution. We have

lim a

= lim

= 2 0.

 

 

 

 

 

n→∞

n

 

 

n→∞

 

 

n + 2

 

 

 

 

 

 

Then the given series is divergent.

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Example 7. Examine the series

 

 

 

 

 

for convergence.

 

 

 

 

 

Solution. We have

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1 2n +

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

1

n

 

(n = 0, 1, 2 ...).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

2

n

+

 

 

 

2

n

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Since

1

 

 

converges, then by the comparison test the original series

 

 

n=1 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

converges as well.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Example 8. Examine the series

1

 

for convergence.

 

 

 

 

 

 

 

n= 2 ln n

 

 

 

1

 

1

 

Solution. From the inequality ln n < n follows

>

for n = 2, 3, ..., and

ln n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

the harmonic series

1

diverges (in this case

 

diverges too). Then by the

 

 

 

 

 

 

 

n=1 n

 

n= 2 n

 

 

 

comparison test the original series diverges.

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

Example 9. Examine the series (1cos

) for convergence.

n

n=1

2

 

Solution. Using the inequality sin x < x, which holds for all x 0, we find

that

0 < 1cos

 

π

=

2sin

2

π

 

2(

 

π

)

2

=

π2

 

2n

 

2 2n

 

 

2n

 

2

4n

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

π

2

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

for n = 1, 2, ... . Here λ =

 

,

and

 

— converges. By comparison test

2

n

 

 

 

 

 

 

n=1

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(and considering Remark 2), the original series converges.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

19

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

π

for convergence.

Example 10. Examine the series sin

n=1

n

 

1

Solution. We compare the given series with the harmonic series and have

n=1 n

 

 

 

π

 

lim

an

= lim

sin n

= π 1 = π ≠ 0.

 

1

n→∞ bn

n→∞

 

n

The harmonic series diverges, therefore, by the corollary, the original series diverges too.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Example 11. Examine the series

 

 

 

 

 

 

for convergence.

 

 

 

2

n

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. We take for comparison the convergent series

 

 

(theorem 8).

 

Then

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

an

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

 

= lim

2n n

 

 

= lim

 

 

 

 

= 1

0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞ bn

 

n→∞

1

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2n

 

 

 

 

 

 

 

 

2n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

since lim

= 0. Therefore, the original series converges.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞ 2n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Example 12. Examine the series

n

 

 

for convergence.

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n2

 

 

n=1

2

 

 

 

(n + 1)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. We have a

n

=

 

and a

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2n

 

 

n+1

 

 

 

 

 

2n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Then

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

(n + 1)2 2n

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

)2 =

1

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

n+1

 

= lim

 

 

 

 

 

 

 

= lim

 

 

(1+

 

 

 

 

 

< 1.

 

 

 

 

a

 

2n+1 n2

 

 

 

 

n

2

 

 

 

 

 

n→∞

 

 

n→∞

 

 

 

 

 

n→∞ 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

By the D’Alembert’s test, the series converges.

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

Example 13. Examine the series

n

 

 

for convergence.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nn

 

n=1

n!

(n + 1)n+1

 

 

 

(n + 1)n

 

Solution. We have

a

=

 

and a

=

 

=

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

n!

 

n+1

 

 

(n + 1)!

 

 

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

+1

 

 

 

 

(n + 1)n n!

 

 

1

)n = e > 1.

lim

n

 

= lim

 

 

 

 

 

= lim(1+

 

 

a

 

 

n!nn

 

 

 

 

n

n→∞

n

 

n→∞

 

 

 

n→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

By the D’Alembert’s test, the series diverges.

20

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]