Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
_eBook__-_Math_Calculus_Bible.pdf
Скачиваний:
8
Добавлен:
23.08.2019
Размер:
1.23 Mб
Скачать

8.4. SERIES WITH POSITIVE TERMS

327

7.

Prove that ( n

rk)

converges if and only if |r| < 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

=0

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

1

 

 

 

 

8.

Prove that (

 

)

 

 

 

 

diverges.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=1

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Prove that (

n

1

 

 

)

 

 

9.

 

 

 

diverges.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=2

 

k ln k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10. Prove that for each natural number m ≥ 2,

 

 

(a)

Z1m(ln t)dt < ln(m!) < Z1m+1

(ln t)dt

 

 

(b)

m(ln(m) − 1) < ln(m!) < (m + 1)(ln(m + 1) − 1).

 

 

(c)

 

mm

 

 

 

 

 

(m + 1)m+1

 

 

 

 

 

< m! <

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

em−1

 

 

 

 

 

 

em

 

 

 

(d)

 

lim

(m!)1/m = + .

 

 

 

m→+∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(e)

 

lim

 

(m!)1/m

=

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

m→+∞

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11. Prove that {(−1)n}n=1 does not converge.

 

 

 

 

 

 

 

 

sin(1/n)

 

 

 

 

 

 

12. Prove that

 

 

n=1 converges to 1.

 

(1/n)

 

 

 

 

 

 

 

 

sin n

 

 

 

 

 

 

 

 

13. Prove that

 

 

n=1 converges to zero.

 

n

 

 

8.4 Series with Positive Terms

Theorem 8.4.1 (Algebraic Properties) Suppose that

a

 

and

b

 

are convergent series and c > 0. Then

Pk=1

 

k

 

Pk=1

 

k

 

 

 

 

 

 

 

XX X

(i)

(ak + bk) =

ak + bk

k=1

k=1

k=1

328

 

CHAPTER 8. INFINITE SERIES

XX X

(ii)

(ak − bk) =

ak − bk

k=1

k=1

k=1

XX

(iii)

c ak = c

ak

k=1

 

k=1

(iv)If m is any natural number, then the series

X

X

ck and

ck

k=1

k=m

either both converge or both diverge.

 

Proof.

 

Part (i)

 

n

!

XX

(ak ± bk) = nlim

(ak ± bk)

 

 

 

k=1

→∞

k=1

±

n→∞

 

k!

=

n→∞

k!

n

 

 

n

 

 

 

 

lim

Xk

 

lim

X

 

 

a

 

b

 

 

=1

 

 

k=1

 

 

 

 

 

 

 

X

X

 

 

 

 

=

ak ± bk.

 

 

 

 

 

k=1

k=1

 

 

 

 

Part (ii) This part also follows from the preceding argument.

Part(iii) We see that

n !

XX

 

c ak = lim

c ak

k=1

n→∞ k=1

 

 

n→∞

k!

 

 

 

n

 

= c

lim

Xk

 

a

 

 

=1

 

 

 

 

= c

Xk

 

 

ak.

 

 

=1

 

8.4. SERIES WITH POSITIVE TERMS

329

Part (iv) We observe that

∞ m−1 ∞

X X X

ak = ak + ak.

k=1 k=1 k=1

Therefore,

n

X

 

X

 

 

ak = lim

ak

 

k=1

n→∞ k=1

 

 

m−1

n

 

 

X

X

 

 

=

ak + lim

ak.

 

k=1

n→∞ k=m

 

It follows that the series

XX

ak and

ak

k=1

k=m

either both converge or both diverge. This completes the proof of this theorem.

Theorem 8.4.2 (Comparison Test) Suppose that 0 < an ≤ bn for all natural numbers n ≥ 1.

(a)

If there exists some M such that

kn=1 ak ≤ M, for all natural numbers

 

n

, then

a

 

If

there exists no such M, then the series

 

 

k=1

k converges.

 

P

 

 

diverges.P

converges, then Pk=1 ak

 

(b)

If Pk=1 bk

converges.

(c)

If Pk=1 ak

diverges, then Pk=1 bk diverges.

(d)

If cn > 0 for all natural numbers n, and

 

 

 

 

nlim

 

cn

 

= L, 0 < L < ∞,

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

→∞

 

n

 

 

 

then the series Pk=1 ak and

Pk=1 ck either both converge or both diverge.

330

CHAPTER 8. INFINITE SERIES

nn

XX

Proof. Let An =

ak, Bn = bk, 0 < an ≤ bn for all natural numbers

k=1

k=1

n. The sequences {An}n=1 and {Bn}n=1 are strictly increasing sequence. Let A represent the least upper bound of {An}n=1 and let B represent the least upper bound of {Bn}n=1

Part (a) If An ≤ M for all natural numbers, then {An}n=1 is a bounded and strictly increasing sequence. Then A is a finite number and {An}n=1 converges to A and

 

 

 

 

A =

Xk

 

 

ak.

 

 

=1

 

 

X

Xk

 

Part (b) If

bk converges, then

bk = B and An ≤ Bn ≤ B for all

k=1

=1

 

 

 

 

 

Xk

 

natural numbers n. By Part (a),

ak

converges to A.

=1

X

Part (c) If ak diverges, then the sequence {An}n=1 diverges. Since {An}n=1

k=1

is strictly increasing and divergent, for every M there exists some m such that

M < An ≤ Bn

for all natural numbers n ≥ m. It follows that {Bn}n=1 diverges.

Part (d) Suppose that 0 < an and 0 < cn, 0 < L < ∞, = L2 and

lim cn = L.

n→∞ an

Then there exists some natural number m such that

 

cn

− L

<

1

an

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8.4. SERIES WITH POSITIVE TERMS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

331

for all natural numbers n ≥ m. Hence, for all n ≥ m, we have

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

 

cn

 

L

 

L

 

cn

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

<

 

 

 

− L <

 

,

 

 

 

 

 

<

 

<

 

 

L

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

an

2

2

 

an

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

an ≤ cn

 

L an.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k=m ak k=m mck

 

L k=m ak

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

If (

ak)

 

diverges, then (

 

 

 

 

ak) diverges and, hence (

ck)

 

2

k=m

 

=1

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k=m

n=m

 

Xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

and ( n

ck)

both diverge.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=1

 

 

k=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

If (k=1 ak)k=1 converges, then ( 2 L k=m ak)n=m converges and, hence,

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

)

 

 

 

 

( n

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

XX

 

ck

and

ck

both converge.

k=m

n=m

k=1

 

n=1

This completes the Proof of Theorem 8.4.2.

Theorem 8.4.3 (Ratio Test) Suppose that 0 < an for every natural number n and

lim

an+1

= r.

 

n→∞

an

Then the series Pk=1 ak

 

 

(a)converges if r < 1;

(b)diverges if r > 1;

(c)may converge or diverge if r = 1; the test fails.

Proof. Suppose that 0 < an for every natural number n and

lim an+1 = r.

n→∞ an

332

CHAPTER 8. INFINITE SERIES

Let > 0 be given. Then there exists some natural number M such that

 

an+1

− r

< , − + r <

an+1

< r +

 

an

an

(1)

 

 

(r

 

)an < an+1 < (r + )an

 

 

 

 

 

 

 

for all natural numbers n ≥ M.

Part (a) Suppose that 0 ≤ r < 1 and = (1 − r)/2. Then for each natural number k, we have

 

 

 

 

 

 

 

1

+ r

k

 

 

am+k < (r + )kam =

 

 

 

 

 

 

am . . .

(2)

 

2

 

 

 

Hence, by (2), we get

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

X

 

Xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

an =

an +

 

 

 

am+k

 

 

 

 

 

 

 

n=1

n=1

 

=0

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m−1

 

 

 

+ r

k

 

 

< n=1 an + k=0

 

2

 

 

am

 

 

X

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m−1

 

 

 

am

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

an +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

1

 

 

1+r

 

 

 

 

 

m−1

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

an +

 

2am

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

< ∞.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

It follows that the series

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

an converges.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

Part (b) Suppose that 1 < r, = (r − 1)/2. Then by (1) we get

an < 3r − 1an < an+1

2

for all n ≥ m. It follows that

0 < am ≤ lim am+k = lim an.

k→∞ n→∞

P
k=1 ak

8.4. SERIES WITH POSITIVE TERMS

333

X

By the Divergence test, the series an diverges.

X

Part (c) For both series

n=1

n=1

1

 

1

 

 

and

X

 

,

n

n=1

n2

 

 

 

 

 

lim

an+1

= 1.

 

 

n→∞

an

 

 

1

 

1

 

X

 

 

X

 

 

But, by the p-series test,

n

diverges and

n=1

n2

converges. Thus, the

n=1

 

 

 

 

ratio test fails to test the convergence or divergence of these series when r = 1.

This completes the proof of Theorem 8.4.3.

Theorem 8.4.4 (Root Test) Suppose that 0 < an for each natural number

n and

lim (an)1/n = r.

n→∞

Then the series

(a)converges if r < 1;

(b)diverges if r > 1;

(c)may converge or diverge if r = 1; the test fails.

Proof. Suppose that 0 < an for each natural number n and

lim (an)1/n = r.

n→∞

Let > 0 be given. Then there exists some natural number m such that

r < (an)1/n <

r + . . .

(3)

(an)1/n

− r

 

<

 

 

 

 

 

for all natural numbers n ≥ m.

 

 

 

 

Part (a) Suppose r < 1 and =

1

+ r

. Then, by (3), for each natural number

 

2

n ≥ m, we have

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n .

(a )1/n <

1 + r

and a <

1 − r

2

 

2

n

 

 

n

 

334

 

 

 

 

CHAPTER 8.

INFINITE SERIES

it follows that

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

X

nX

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ak =

an +

 

 

 

an

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

n=1

=m

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m−1

 

+ r

n

 

 

 

 

 

 

< n=1 an + n=m

2

 

 

 

 

 

 

 

 

X

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

!

 

m−1

 

 

 

2

 

 

 

m

1

 

 

 

2

 

1 + r

 

 

 

1

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

an +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m−1

1

+ r

 

m

1

 

 

= n=1 an +

 

2

 

 

 

2 r

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

< ∞.

X

Therefore, ak converges.

n=1

Part (b) Suppose r > 1 and = (r − 1)/2. Then, by (3), for each natural number n ≥ m, we have

1 < 1 + r = r + < (an)1/n 2

1 < 1 + r n < an.

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

It follows that nlim an 6= 0 and, by the Divergence test, the series

an

→∞

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

diverges.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

X

 

and

X

 

 

 

we have r = 1, where

 

Part (c) For each of the series

n

n=1

n2

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r = lim (an)1/n.

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

X

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

But the series

n

diverges and the series

 

 

n2

converges by the p-series

n=1

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

test. Therefore, the test fails to determine the convergence or divergence for these series when r = 1. This completes the proof of Theorem 8.4.4.

8.4. SERIES WITH POSITIVE TERMS

 

 

 

 

 

 

 

335

 

 

Exercises 8.2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.

Define what is meant by

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ak.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.

Define what is meant by the sequence of nth partial sums of the series

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ak.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

3.

Suppose that a 6= 0. Prove that Xark

converges to

 

if |r| < 1.

 

1 − r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Xk

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

4.

Prove that the series

 

 

 

 

converges to

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=1

 

k(k + 2)

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.

Prove that

 

kp

converges to

p

 

1

 

if p > 1 and diverges otherwise.

 

 

=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

6.

Prove that

n + 1

n=1 is an increasing sequence and the series n=1 ln

 

n + 1

 

 

 

diverges.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Xk

(−1)kxk converges to

 

 

 

 

if |x| < 1.

 

 

 

 

 

7.

Prove that

1 + x

 

 

 

 

 

 

=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Xk

x2k converges to

 

 

 

 

 

 

if |x| < 1.

 

 

 

 

 

8.

Prove that

1

 

x2

 

 

 

 

 

 

=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Xk

(−1)kx2k converges to

 

 

 

if |x| < 1.

 

 

 

 

 

9.

Prove that

1 + x2

 

 

 

 

 

 

=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

10. Prove that if ak converges, then lim ak = 0. Is the converse true?

k→∞

k=0

Explain your answer.

 

X

 

Xk

11. Suppose that if

ak converges to L and

bk converges to M. Prove

k=0

 

=0

that

 

 

336

CHAPTER 8. INFINITE SERIES

X

(a)(c ak) converges to cL for each constant c.

k=0

X

(b)(ak + bk) converges to L + M.

k=0

X

(c)(ak − bk) converges to L − M.

k=0

X

(d)akbk may or may not converge to LM.

k=0

 

 

Z1

 

X

t1p dt converges. Deter-

12. Prove that k=1 k1p converges if and only if

mine the values of p for which the series converges.

13. Suppose that f(x) is continuous and decreasing on the interval [a, +∞).

 

 

 

 

 

 

Xk

 

 

Let ak = f(k) for each natural number k. Then the series

ak

con-

 

 

=1

 

 

verges if and only if Zaf(x)dx converges.

 

 

 

 

 

n

 

14. Suppose that 0 ≤ ak ≤ ak+1 for each natural number k, and sn =

Xk

 

ak.

 

 

 

=1

 

 

 

Prove that if sn ≤ M for some M and all natural numbers n, then

ak

converges.

 

 

=1

 

 

Xk

15. Suppose that 0 ≤ ak ≤ bk for each natural number k. Prove that

 

 

 

 

X

 

Xk

 

 

(a) if

bk converges, then

ak converges.

 

 

k=1

 

=1

 

 

 

 

 

XX

(b)

if

ak diverges, then

bk diverges.

 

k=1

 

k=1

 

 

 

 

 

Xk

ak diverges.

(c)

if klim ak 6= 0, then

 

→∞

=1

 

8.4. SERIES WITH POSITIVE TERMS

337

X

(d) if lim ak = 0, then ak may or may not converge.

k→∞

k=1

16. Suppose that 0 < ak for each natural number k. Prove that if lim (ak+1/ak) <

k→∞

X

1, then ak converges.

k=1

17. Suppose that 0 < ak for each natural number k. Prove that if lim (ak+1/ak) >

k→∞

 

1, then

Xk

ak diverges.

 

=1

18. Suppose that 0 < ak for each natural number k. Prove that if lim (ak+1/ak) =

k→∞

X

1, then ak may or may not converge.

k=1

19. Suppose that 0 < ak and 0 < bk for each natural number k. Prove that

if 0 < klim (ak/bk) < ∞, then

ak converges if and only if

 

bk

→∞

k=1

 

=1

converges.

X

 

Xk

20. Suppose that 0 < ak for each natural number k. Prove that if lim (ak)1/k <

k→∞

X

1, then ak converges.

k=1

21. Suppose that 0 < ak for each natural number k. Prove that if lim (ak)1/k >

 

k→∞

1, then

Xk

 

ak

diverges.

 

=1

 

22. Suppose that 0 < ak for each natural number k. Prove that if lim (ak)1/k =

 

k→∞

 

 

1, then

ak may or may not converge.

 

=1

 

 

Xk

 

 

 

23. A series

ak is said to converge absolutely if

|ak| converges. Sup-

k=1

 

=1

X

 

Xk

pose that lim |ak+1/ak| = p. Prove that

k→∞

338

CHAPTER 8. INFINITE SERIES

X

(a)ak converges absolutely if p < 1.

k=1

X

(b)ak does not converge absolutely if p > 1.

k=1

X

(c)ak may or may not converge absolutely if p = 1.

k=1

 

 

 

 

 

 

 

 

X

1/k

 

Xk

24. A series

ak is said to converge absolutely if

|ak| converges. Sup-

 

k=1

 

 

=1

pose that klim (|ak|)

 

= p. Prove that

 

 

→∞

 

 

 

X

(a)ak converges absolutely if p < 1.

k=1

X

(b)ak does not converge absolutely if p > 1.

k=1

X

(c)ak may or may not converge absolutely if p = 1.

k=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

25. Prove that

if

ak

converges absolutely,

then it converges.

 

Is the

 

 

 

=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

converse true? Justify your answer.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

, b

 

 

k

 

lim

 

ak

 

= p.

 

 

 

 

 

26. Suppose that

 

k 6= 0

k 6= 0 for any natural number

 

and k→∞

bk

 

 

 

 

 

 

 

Xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ak converges absolutely

 

Prove that if 0 < p < 1, then the series

if

 

 

=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Xk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

and only if

 

 

bk converges absolutely.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

Xk

 

 

 

 

 

 

27. A series

 

ak is said to converge conditionally if

 

ak

converges but

k=1

 

 

 

 

 

=1

 

 

 

 

 

 

8.4. SERIES WITH POSITIVE TERMS

X

 

339

Xk

|

k|

 

n

 

a

 

diverges. Determine whether the series

(−1)n+1

converges

=1

 

n=1

 

 

 

 

 

 

conditionally or absolutely.

 

 

 

28.Suppose that 0 < ak and |ak+1| < |ak| for every natural number k. Prove

 

 

X

k+1a

Xk

ka

that if lim

a

k=1(−1)

=1(−1)

k→+∞

k = 0, then the series

k and

k are

both convergent. Furthermore, show that if s denotes the sum of the series, then s is between the nth partial sum sn and the (n + 1)st partial sum sn+1 for each natural number n.

(−1)

n n

29. Determine whether the series

 

 

 

converges absolutely or condi-

 

 

3n

n=1

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

tionally.

 

 

 

 

 

 

n (2n)!

X

(−1)

 

 

 

 

 

30. Determine whether the series

 

 

n10

converges absolutely or con-

n=1

 

 

 

 

 

 

ditionally.

 

 

 

 

 

 

In problems 31–62, test the given series for convergence, conditional convergence or absolute convergence.

31. X(−1)n n!

5n

n=1

n

33.X(−1)nn 54

n=1

35.

 

(−1)n

 

X

 

 

 

 

 

 

n=1

 

n3/2

 

 

 

 

 

 

37.

(−1)n , 0 < p < 1

 

X

 

 

 

 

 

 

n=1

 

np

 

 

 

 

 

 

 

 

n (n + 1)

39.

 

(−1)

 

 

 

n2 + 2

X

n=1

 

 

 

n+1 5n

 

 

 

 

 

32.

X

(−1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

34.

(−1)n+1n2

4

 

n

n=1

5

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

36.

 

(−1)n+1

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

n1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

38.

 

(−1)n+1 , 1 < p

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

np

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n+1 (n + 1)2

40.

X

(−1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

3n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

340

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(n + 2)2

41.

X

(−1)n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

(n + 1)3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

43.

 

(−1)n(4/3)n

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

n4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

45.

X

(−3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

(2n)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n (n!)22n

47.

X

(−1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

(2n)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

2

 

 

4n

49.

X

(−1)

(n!)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

(2n)!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5n+1

51.

X

(−1)n−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

24n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n+1 (n + 2)

53.

X

(−1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

n5/4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

55.

( 1)n (3n2 + 2n − 1)

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

2n3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n (ln n)

57.

 

(−1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=2

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

59.

 

(−1)

 

 

, 0 < p < 1

n=1

 

np

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

61.

 

(−1)

 

 

, 1 < p

 

 

np

X

n=1

CHAPTER 8. INFINITE SERIES

3 n

X

 

 

 

 

 

 

n−1

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

42.

n=1

(−1)

 

 

 

 

 

n2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

44.

 

 

(−4)n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

(n!)n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(n + 1)!

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

46.

 

(−1)n

1

·

3

·

5

· · ·

(2n + 1)

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

48.

(

 

1)n+1 (n − 1)

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n3/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

50.

X

(

1)n

 

 

2 · 4 · · · (2n + 2)

 

 

 

 

 

 

1

·

4

·

7

· · ·

(3n + 1)

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n+1 (n + 1)

 

52.

 

 

(−1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

(n + 3)

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n (n + 2)

 

 

 

 

 

54.

 

 

(−1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

n7/4

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

56.

 

(−1)n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=2

 

n(ln n)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(ln n)

 

58.

X

 

(−1)n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n2

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n np

 

 

 

 

 

 

 

 

 

60.

X

 

(−1)

 

 

 

 

 

, 0 < p < 1

n=1

 

n!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n np

 

 

 

 

 

 

 

 

 

62.

X

 

(−1)

 

 

 

 

 

, 1 < p

 

n=1

 

n!