Дан ряд с членами a_n = n!/(n^n). Исследуйте сходимость ряда и предложите несколько тестов, обоснуйте выбор и сравните оценки остатка при положительных результатах
Краткий ответ: ряд с положительными членами an=n!nn\displaystyle a_n=\frac{n!}{n^n}an=nnn! сходится абсолютно (и просто), с экспоненциально малым остатку. Дальше — тесты, оценки и обоснования. 1) Тест отношения (d’Alembert). an+1an=(nn+1)n=(1+1n)−n→n→∞e−1<1,
\frac{a_{n+1}}{a_n}=\Big(\frac{n}{n+1}\Big)^n=(1+\tfrac{1}{n})^{-n}\xrightarrow[n\to\infty]{} e^{-1}<1, anan+1=(n+1n)n=(1+n1)−nn→∞e−1<1,
значит ряд сходится. 2) Корневой тест. ann=(n!)1/nn→n→∞1e,
\sqrt[n]{a_n}=\frac{(n!)^{1/n}}{n}\xrightarrow[n\to\infty]{}\frac{1}{e}, nan=n(n!)1/nn→∞e1,
поскольку по формуле Стирлинга (n!)1/n∼n/e(n!)^{1/n}\sim n/e(n!)1/n∼n/e. Предел 1/e<11/e<11/e<1 даёт сходимость (и абсолютную). 3) Асимптотика (Стирлинг) и сравнение с экспонентой. По Стирлингу an=n!nn∼2πn e−n.
a_n=\frac{n!}{n^n}\sim\sqrt{2\pi n}\,\mathrm e^{-n}. an=nnn!∼2πne−n.
Отсюда члены убывают экспоненциально (с фактором e−ne^{-n}e−n и полиномиальным множителем n\sqrt{n}n), значит ряд сходится намного быстрее геометрического. 4) Оценки остатка (положительные члены). Так как для всех n≥1n\ge1n≥1an+1an=(nn+1)n<1\frac{a_{n+1}}{a_n}=(\frac{n}{n+1})^n<1anan+1=(n+1n)n<1 и предел равен e−1e^{-1}e−1, то для любого rrr с e−1<r<1e^{-1}<r<1e−1<r<1 существует NNN такое, что для всех n≥Nn\ge Nn≥N выполнено an+1an≤r\frac{a_{n+1}}{a_n}\le ranan+1≤r. Тогда геометрическая оценка остатка: RN=∑k=N+1∞ak≤aN+11−r.
R_N=\sum_{k=N+1}^\infty a_k\le\frac{a_{N+1}}{1-r}. RN=k=N+1∑∞ak≤1−raN+1.
Например, для r=12r=\tfrac12r=21 уже при N=2N=2N=2 имеем an+1an≤12\frac{a_{n+1}}{a_n}\le\tfrac12anan+1≤21 для всех n≥2n\ge2n≥2, поэтому R2≤a31−12=2/91/2=49≈0.4444.
R_2\le\frac{a_3}{1-\tfrac12}=\frac{2/9}{1/2}=\frac{4}{9}\approx0.4444. R2≤1−21a3=1/22/9=94≈0.4444. Более точная асимптотическая оценка остатка (из асимптотики членов): существует константа C>0C>0C>0 такая, что для больших NNNRN=∑k=N+1∞ak=O(N e−N),
R_N=\sum_{k=N+1}^\infty a_k=O\big(\sqrt{N}\,e^{-N}\big), RN=k=N+1∑∞ak=O(Ne−N),
поскольку ∑k>Nk e−k\sum_{k>N}\sqrt{k}\,e^{-k}∑k>Nke−k имеет ту же экспоненциальную убывающую асимптику (нестрогая оценка через неполную гамма‑функцию). Вывод: ряд сходится (абсолютно), что можно показать как тестом отношения, так и корневым тестом; для остатка годятся простые геометрические оценки (через отношение членов) и более точные асимптотические оценки на базе формулы Стирлинга: an∼2πn e−na_n\sim\sqrt{2\pi n}\,e^{-n}an∼2πne−n, отсюда RN=O(N e−N)R_N=O(\sqrt{N}\,e^{-N})RN=O(Ne−N).
1) Тест отношения (d’Alembert).
an+1an=(nn+1)n=(1+1n)−n→n→∞e−1<1, \frac{a_{n+1}}{a_n}=\Big(\frac{n}{n+1}\Big)^n=(1+\tfrac{1}{n})^{-n}\xrightarrow[n\to\infty]{} e^{-1}<1,
an an+1 =(n+1n )n=(1+n1 )−nn→∞ e−1<1, значит ряд сходится.
2) Корневой тест.
ann=(n!)1/nn→n→∞1e, \sqrt[n]{a_n}=\frac{(n!)^{1/n}}{n}\xrightarrow[n\to\infty]{}\frac{1}{e},
nan =n(n!)1/n n→∞ e1 , поскольку по формуле Стирлинга (n!)1/n∼n/e(n!)^{1/n}\sim n/e(n!)1/n∼n/e. Предел 1/e<11/e<11/e<1 даёт сходимость (и абсолютную).
3) Асимптотика (Стирлинг) и сравнение с экспонентой.
По Стирлингу
an=n!nn∼2πn e−n. a_n=\frac{n!}{n^n}\sim\sqrt{2\pi n}\,\mathrm e^{-n}.
an =nnn! ∼2πn e−n. Отсюда члены убывают экспоненциально (с фактором e−ne^{-n}e−n и полиномиальным множителем n\sqrt{n}n ), значит ряд сходится намного быстрее геометрического.
4) Оценки остатка (положительные члены).
Так как для всех n≥1n\ge1n≥1 an+1an=(nn+1)n<1\frac{a_{n+1}}{a_n}=(\frac{n}{n+1})^n<1an an+1 =(n+1n )n<1 и предел равен e−1e^{-1}e−1, то для любого rrr с e−1<r<1e^{-1}<r<1e−1<r<1 существует NNN такое, что для всех n≥Nn\ge Nn≥N выполнено an+1an≤r\frac{a_{n+1}}{a_n}\le ran an+1 ≤r. Тогда геометрическая оценка остатка:
RN=∑k=N+1∞ak≤aN+11−r. R_N=\sum_{k=N+1}^\infty a_k\le\frac{a_{N+1}}{1-r}.
RN =k=N+1∑∞ ak ≤1−raN+1 . Например, для r=12r=\tfrac12r=21 уже при N=2N=2N=2 имеем an+1an≤12\frac{a_{n+1}}{a_n}\le\tfrac12an an+1 ≤21 для всех n≥2n\ge2n≥2, поэтому
R2≤a31−12=2/91/2=49≈0.4444. R_2\le\frac{a_3}{1-\tfrac12}=\frac{2/9}{1/2}=\frac{4}{9}\approx0.4444.
R2 ≤1−21 a3 =1/22/9 =94 ≈0.4444.
Более точная асимптотическая оценка остатка (из асимптотики членов): существует константа C>0C>0C>0 такая, что для больших NNN RN=∑k=N+1∞ak=O(N e−N), R_N=\sum_{k=N+1}^\infty a_k=O\big(\sqrt{N}\,e^{-N}\big),
RN =k=N+1∑∞ ak =O(N e−N), поскольку ∑k>Nk e−k\sum_{k>N}\sqrt{k}\,e^{-k}∑k>N k e−k имеет ту же экспоненциальную убывающую асимптику (нестрогая оценка через неполную гамма‑функцию).
Вывод: ряд сходится (абсолютно), что можно показать как тестом отношения, так и корневым тестом; для остатка годятся простые геометрические оценки (через отношение членов) и более точные асимптотические оценки на базе формулы Стирлинга: an∼2πn e−na_n\sim\sqrt{2\pi n}\,e^{-n}an ∼2πn e−n, отсюда RN=O(N e−N)R_N=O(\sqrt{N}\,e^{-N})RN =O(N e−N).