Исследуйте сходимость ряда sum_{n=1}^infty (-1)^{n} n/(n^2+1): какие тесты подходят, есть ли условная и абсолютная сходимость, и почему результаты могут отличаться при разных подходах
Коротко: ряд сходится условно, не сходится абсолютно. Доказательство и объяснения. 1) Признак Лейбница (чередующийся ряд). Положительные члены an=nn2+1
a_n=\frac{n}{n^2+1} an=n2+1n
удовлетворяют limn→∞an=0,
\lim_{n\to\infty}a_n=0, n→∞liman=0,
потому что limn→∞nn2+1=0\displaystyle\lim_{n\to\infty}\frac{n}{n^2+1}=0n→∞limn2+1n=0. Функция f(x)=xx2+1f(x)=\dfrac{x}{x^2+1}f(x)=x2+1x имеет производную f′(x)=1−x2(x2+1)2,
f'(x)=\frac{1-x^2}{(x^2+1)^2}, f′(x)=(x2+1)21−x2,
поэтому f′(x)<0f'(x)<0f′(x)<0 при x>1x>1x>1, т.е. ana_nan убывают для всех n≥2n\ge2n≥2. Следовательно по признаку Лейбница ряд ∑n=1∞(−1)nnn2+1
\sum_{n=1}^\infty (-1)^n\frac{n}{n^2+1} n=1∑∞(−1)nn2+1n
сходится. 2) Абсолютная сходимость. Рассмотрим ряд абсолютных значений ∑n=1∞nn2+1.
\sum_{n=1}^\infty\frac{n}{n^2+1}. n=1∑∞n2+1n.
Поскольку для больших nnnnn2+1∼1n\dfrac{n}{n^2+1}\sim\dfrac{1}{n}n2+1n∼n1, применим предельное сравнение с гармоническим рядом: limn→∞nn2+11n=limn→∞n2n2+1=1≠0.
\lim_{n\to\infty}\frac{\frac{n}{n^2+1}}{\frac{1}{n}}=\lim_{n\to\infty}\frac{n^2}{n^2+1}=1\neq0. n→∞limn1n2+1n=n→∞limn2+1n2=1=0.
Так как ∑1/n\sum 1/n∑1/n расходится, то и ∑n/(n2+1)\sum n/(n^2+1)∑n/(n2+1) расходится. Значит исходный ряд не сходится абсолютно, только условно. 3) Почему разные подходы могут дать разные впечатления. Некоторые тесты (корневой, показательный) дают неинформативный результат (предел равен 1). Неправильное применение сравнения (без предельного сравнения) может ввести в заблуждение. Кроме того, для условно сходящих рядов перестановка членов может менять сумму (теорема Римана), поэтому вид или группировка членов может создавать впечатление различий, хотя критерии сходимости остаются те же. Итого: ряд сходится по признаку Лейбница (условно), но не сходится абсолютно (поведение членов как 1/n1/n1/n).
Доказательство и объяснения.
1) Признак Лейбница (чередующийся ряд). Положительные члены
an=nn2+1 a_n=\frac{n}{n^2+1}
an =n2+1n удовлетворяют
limn→∞an=0, \lim_{n\to\infty}a_n=0,
n→∞lim an =0, потому что limn→∞nn2+1=0\displaystyle\lim_{n\to\infty}\frac{n}{n^2+1}=0n→∞lim n2+1n =0. Функция f(x)=xx2+1f(x)=\dfrac{x}{x^2+1}f(x)=x2+1x имеет производную
f′(x)=1−x2(x2+1)2, f'(x)=\frac{1-x^2}{(x^2+1)^2},
f′(x)=(x2+1)21−x2 , поэтому f′(x)<0f'(x)<0f′(x)<0 при x>1x>1x>1, т.е. ana_nan убывают для всех n≥2n\ge2n≥2. Следовательно по признаку Лейбница ряд
∑n=1∞(−1)nnn2+1 \sum_{n=1}^\infty (-1)^n\frac{n}{n^2+1}
n=1∑∞ (−1)nn2+1n сходится.
2) Абсолютная сходимость. Рассмотрим ряд абсолютных значений
∑n=1∞nn2+1. \sum_{n=1}^\infty\frac{n}{n^2+1}.
n=1∑∞ n2+1n . Поскольку для больших nnn nn2+1∼1n\dfrac{n}{n^2+1}\sim\dfrac{1}{n}n2+1n ∼n1 , применим предельное сравнение с гармоническим рядом:
limn→∞nn2+11n=limn→∞n2n2+1=1≠0. \lim_{n\to\infty}\frac{\frac{n}{n^2+1}}{\frac{1}{n}}=\lim_{n\to\infty}\frac{n^2}{n^2+1}=1\neq0.
n→∞lim n1 n2+1n =n→∞lim n2+1n2 =1=0. Так как ∑1/n\sum 1/n∑1/n расходится, то и ∑n/(n2+1)\sum n/(n^2+1)∑n/(n2+1) расходится. Значит исходный ряд не сходится абсолютно, только условно.
3) Почему разные подходы могут дать разные впечатления. Некоторые тесты (корневой, показательный) дают неинформативный результат (предел равен 1). Неправильное применение сравнения (без предельного сравнения) может ввести в заблуждение. Кроме того, для условно сходящих рядов перестановка членов может менять сумму (теорема Римана), поэтому вид или группировка членов может создавать впечатление различий, хотя критерии сходимости остаются те же.
Итого: ряд сходится по признаку Лейбница (условно), но не сходится абсолютно (поведение членов как 1/n1/n1/n).