Исследуйте сходимость следующего ряда: сум_{n=1..infty} (-1)^{n} * n / (n^2 + 1). Объясните, какие тесты применимы, возможен ли абсолютный и условный случай, и покажите, как можно оценить остаток частичной суммы
Серия ∑n=1∞(−1)nnn2+1
\sum_{n=1}^\infty (-1)^n\frac{n}{n^2+1} n=1∑∞(−1)nn2+1n
исследуется так. 1) Сходимость знакопеременная (признак Лейбница). Обозначим an=nn2+1>0a_n=\dfrac{n}{n^2+1}>0an=n2+1n>0. Предел limn→∞an=limn→∞nn2+1=0,
\lim_{n\to\infty} a_n=\lim_{n\to\infty}\frac{n}{n^2+1}=0, n→∞liman=n→∞limn2+1n=0,
и ana_nan монотонно невозрастающая для n≥1n\ge1n≥1, поскольку для f(x)=xx2+1f(x)=\dfrac{x}{x^2+1}f(x)=x2+1x имеем f′(x)=1−x2(x2+1)2≤0(x≥1).
f'(x)=\frac{1-x^2}{(x^2+1)^2}\le0\quad (x\ge1). f′(x)=(x2+1)21−x2≤0(x≥1).
По признаку Лейбница ряд сходится. 2) Абсолютная сходимость. Рассмотрим сумму модулей ∑an=∑nn2+1\sum a_n=\sum \dfrac{n}{n^2+1}∑an=∑n2+1n. По признаку предельного сравнения с 1n\dfrac{1}{n}n1limn→∞nn2+11/n=limn→∞n2n2+1=1,
\lim_{n\to\infty}\frac{\frac{n}{n^2+1}}{1/n}=\lim_{n\to\infty}\frac{n^2}{n^2+1}=1, n→∞lim1/nn2+1n=n→∞limn2+1n2=1,
а ряд ∑1/n\sum 1/n∑1/n расходится, поэтому ∑an\sum a_n∑an тоже расходится. Следовательно исходный ряд сходится условно, но не абсолютно. 3) Оценка остатка частичной суммы. Для знакопеременных рядов по признаку Лейбница остаток после NNN членов удовлетворяет ∣RN∣=∣S−SN∣≤aN+1=N+1(N+1)2+1.
|R_N|=\left|S-S_N\right|\le a_{N+1}=\frac{N+1}{(N+1)^2+1}. ∣RN∣=∣S−SN∣≤aN+1=(N+1)2+1N+1.
Для грубой оценки можно также использовать N+1(N+1)2+1≤1N+1.
\frac{N+1}{(N+1)^2+1}\le\frac{1}{N+1}. (N+1)2+1N+1≤N+11. Краткое заключение: ряд сходится условно (по Лейбницу), не сходится абсолютно (пределное сравнение с 1/n1/n1/n); остаток после NNN членов не превосходит N+1(N+1)2+1\dfrac{N+1}{(N+1)^2+1}(N+1)2+1N+1 (и, в частности, 1N+1\dfrac{1}{N+1}N+11).
∑n=1∞(−1)nnn2+1 \sum_{n=1}^\infty (-1)^n\frac{n}{n^2+1}
n=1∑∞ (−1)nn2+1n исследуется так.
1) Сходимость знакопеременная (признак Лейбница). Обозначим an=nn2+1>0a_n=\dfrac{n}{n^2+1}>0an =n2+1n >0. Предел
limn→∞an=limn→∞nn2+1=0, \lim_{n\to\infty} a_n=\lim_{n\to\infty}\frac{n}{n^2+1}=0,
n→∞lim an =n→∞lim n2+1n =0, и ana_nan монотонно невозрастающая для n≥1n\ge1n≥1, поскольку для f(x)=xx2+1f(x)=\dfrac{x}{x^2+1}f(x)=x2+1x имеем
f′(x)=1−x2(x2+1)2≤0(x≥1). f'(x)=\frac{1-x^2}{(x^2+1)^2}\le0\quad (x\ge1).
f′(x)=(x2+1)21−x2 ≤0(x≥1). По признаку Лейбница ряд сходится.
2) Абсолютная сходимость. Рассмотрим сумму модулей ∑an=∑nn2+1\sum a_n=\sum \dfrac{n}{n^2+1}∑an =∑n2+1n . По признаку предельного сравнения с 1n\dfrac{1}{n}n1 limn→∞nn2+11/n=limn→∞n2n2+1=1, \lim_{n\to\infty}\frac{\frac{n}{n^2+1}}{1/n}=\lim_{n\to\infty}\frac{n^2}{n^2+1}=1,
n→∞lim 1/nn2+1n =n→∞lim n2+1n2 =1, а ряд ∑1/n\sum 1/n∑1/n расходится, поэтому ∑an\sum a_n∑an тоже расходится. Следовательно исходный ряд сходится условно, но не абсолютно.
3) Оценка остатка частичной суммы. Для знакопеременных рядов по признаку Лейбница остаток после NNN членов удовлетворяет
∣RN∣=∣S−SN∣≤aN+1=N+1(N+1)2+1. |R_N|=\left|S-S_N\right|\le a_{N+1}=\frac{N+1}{(N+1)^2+1}.
∣RN ∣=∣S−SN ∣≤aN+1 =(N+1)2+1N+1 . Для грубой оценки можно также использовать
N+1(N+1)2+1≤1N+1. \frac{N+1}{(N+1)^2+1}\le\frac{1}{N+1}.
(N+1)2+1N+1 ≤N+11 .
Краткое заключение: ряд сходится условно (по Лейбницу), не сходится абсолютно (пределное сравнение с 1/n1/n1/n); остаток после NNN членов не превосходит N+1(N+1)2+1\dfrac{N+1}{(N+1)^2+1}(N+1)2+1N+1 (и, в частности, 1N+1\dfrac{1}{N+1}N+11 ).