Исследуйте сходимость ряда sum_{n=2}^\infty 1/(n (ln n)^p) в зависимости от параметра p; укажите и обоснуйте критерии сходимости, которые лучше всего подходят для этой задачи
Рассмотрим ряд ∑n=2∞1n(lnn)p\sum_{n=2}^\infty\frac{1}{n(\ln n)^p}∑n=2∞n(lnn)p1. Лучшие критерии: интегральный тест и признак Коши (Cauchy condensation). 1) Интегральный тест. Функция f(x)=1x(lnx)pf(x)=\dfrac{1}{x(\ln x)^p}f(x)=x(lnx)p1 положительна и убывает при x>ex>ex>e. По замене t=lnxt=\ln xt=lnx, dt=dx/xdt=dx/xdt=dx/x, ∫2∞dxx(lnx)p=∫ln2∞t−p dt.
\int_2^{\infty}\frac{dx}{x(\ln x)^p}=\int_{\ln 2}^{\infty}t^{-p}\,dt. ∫2∞x(lnx)pdx=∫ln2∞t−pdt.
Это собственный несобственный интеграл, который сходится тогда и только тогда, когда p>1p>1p>1 (для p=1p=1p=1 интеграл ∫ln2∞t−1dt\int_{\ln2}^{\infty}t^{-1}dt∫ln2∞t−1dt расходится, для p<1p<1p<1 интеграл расходится как степенной с показателем ≤1\le 1≤1). По интегральному тесту ряд сходится ⇔ p>1p>1p>1. 2) Признак Коши (альтернативное краткое обоснование). Для убывающей an≥0a_n\ge0an≥0 ряд ∑an\sum a_n∑an и ряд ∑2ka2k\sum 2^k a_{2^k}∑2ka2k равносходимы. Здесь 2ka2k=2k12k(ln2k)p=1(ln2)p⋅1kp,
2^k a_{2^k}=2^k\frac{1}{2^k(\ln 2^k)^p}=\frac{1}{(\ln 2)^p}\cdot\frac{1}{k^p}, 2ka2k=2k2k(ln2k)p1=(ln2)p1⋅kp1,
т.е. получается const⋅∑1kpconst\cdot\sum \frac{1}{k^p}const⋅∑kp1, который сходится только при p>1p>1p>1. Следовательно исходный ряд сходится ⇔ p>1p>1p>1. Вывод: ряд ∑n=2∞1n(lnn)p\sum_{n=2}^\infty\frac{1}{n(\ln n)^p}∑n=2∞n(lnn)p1 сходится при p>1p>1p>1 и расходится при p≤1p\le1p≤1. (Для p=1p=1p=1 частичные суммы растут медленно: SN∼lnlnNS_N\sim\ln\ln NSN∼lnlnN.)
Лучшие критерии: интегральный тест и признак Коши (Cauchy condensation).
1) Интегральный тест. Функция f(x)=1x(lnx)pf(x)=\dfrac{1}{x(\ln x)^p}f(x)=x(lnx)p1 положительна и убывает при x>ex>ex>e. По замене t=lnxt=\ln xt=lnx, dt=dx/xdt=dx/xdt=dx/x,
∫2∞dxx(lnx)p=∫ln2∞t−p dt. \int_2^{\infty}\frac{dx}{x(\ln x)^p}=\int_{\ln 2}^{\infty}t^{-p}\,dt.
∫2∞ x(lnx)pdx =∫ln2∞ t−pdt. Это собственный несобственный интеграл, который сходится тогда и только тогда, когда p>1p>1p>1 (для p=1p=1p=1 интеграл ∫ln2∞t−1dt\int_{\ln2}^{\infty}t^{-1}dt∫ln2∞ t−1dt расходится, для p<1p<1p<1 интеграл расходится как степенной с показателем ≤1\le 1≤1). По интегральному тесту ряд сходится ⇔ p>1p>1p>1.
2) Признак Коши (альтернативное краткое обоснование). Для убывающей an≥0a_n\ge0an ≥0 ряд ∑an\sum a_n∑an и ряд ∑2ka2k\sum 2^k a_{2^k}∑2ka2k равносходимы. Здесь
2ka2k=2k12k(ln2k)p=1(ln2)p⋅1kp, 2^k a_{2^k}=2^k\frac{1}{2^k(\ln 2^k)^p}=\frac{1}{(\ln 2)^p}\cdot\frac{1}{k^p},
2ka2k =2k2k(ln2k)p1 =(ln2)p1 ⋅kp1 , т.е. получается const⋅∑1kpconst\cdot\sum \frac{1}{k^p}const⋅∑kp1 , который сходится только при p>1p>1p>1. Следовательно исходный ряд сходится ⇔ p>1p>1p>1.
Вывод: ряд ∑n=2∞1n(lnn)p\sum_{n=2}^\infty\frac{1}{n(\ln n)^p}∑n=2∞ n(lnn)p1 сходится при p>1p>1p>1 и расходится при p≤1p\le1p≤1. (Для p=1p=1p=1 частичные суммы растут медленно: SN∼lnlnNS_N\sim\ln\ln NSN ∼lnlnN.)