Рассмотрим ряд ∑n=2∞1n(lnn)p \displaystyle\sum_{n=2}^\infty \frac{1}{n(\ln n)^p}n=2∑∞n(lnn)p1. 1) Интегральный признак. Для x≥2x\ge2x≥2 положительная убывающая функция f(x)=1x(lnx)pf(x)=\frac{1}{x(\ln x)^p}f(x)=x(lnx)p1. Сделав замену u=lnxu=\ln xu=lnx (тогда dx/x=dudx/x=dudx/x=du) получим ∫2∞dxx(lnx)p=∫ln2∞u−p du.
\int_{2}^{\infty}\frac{dx}{x(\ln x)^p}=\int_{\ln 2}^{\infty}u^{-p}\,du. ∫2∞x(lnx)pdx=∫ln2∞u−pdu.
Последний интеграл сходится тогда и только тогда, когда p>1p>1p>1. Следовательно ряд сходится при p>1p>1p>1 и расходится при p≤1p\le1p≤1. 2) Альтернативное (и более наглядное) доказательство через сжатие Коши (Cauchy condensation). Для монотонно убывающей ana_nan ряд ∑an\sum a_n∑an сходится тогда и только тогда, когда сходится ∑2ka2k\sum 2^k a_{2^k}∑2ka2k. Для an=1n(lnn)pa_n=\frac{1}{n(\ln n)^p}an=n(lnn)p12ka2k=2k2k(ln2k)p=1(ln2)p⋅1kp,
2^k a_{2^k}=\frac{2^k}{2^k(\ln 2^k)^p}=\frac{1}{(\ln 2)^p}\cdot\frac{1}{k^p}, 2ka2k=2k(ln2k)p2k=(ln2)p1⋅kp1,
то есть сводится к ppp-ряду; он сходится только при p>1p>1p>1. 3) Тонкости при p=1p=1p=1. При p=1p=1p=1 ряд ∑n=2∞1nlnn
\sum_{n=2}^\infty\frac{1}{n\ln n} n=2∑∞nlnn1
расходится, но очень медленно. Из интегрального сравнения ∑k=2N1klnk=∫2Ndxxlnx+O(1)=lnlnN+O(1),
\sum_{k=2}^{N}\frac{1}{k\ln k}=\int_{2}^{N}\frac{dx}{x\ln x}+O(1)=\ln\ln N+O(1), k=2∑Nklnk1=∫2Nxlnxdx+O(1)=lnlnN+O(1),
поэтому частичные суммы растут как lnlnN\ln\ln NlnlnN и стремятся к бесконечности очень медленно. Это и есть «пограничный» случай: при любом p>1p>1p>1 добавочный фактор (lnn)p(\ln n)^p(lnn)p достаточно силён, чтобы обеспечить сходимость; при p=1p=1p=1 — нет.
1) Интегральный признак. Для x≥2x\ge2x≥2 положительная убывающая функция f(x)=1x(lnx)pf(x)=\frac{1}{x(\ln x)^p}f(x)=x(lnx)p1 . Сделав замену u=lnxu=\ln xu=lnx (тогда dx/x=dudx/x=dudx/x=du) получим
∫2∞dxx(lnx)p=∫ln2∞u−p du. \int_{2}^{\infty}\frac{dx}{x(\ln x)^p}=\int_{\ln 2}^{\infty}u^{-p}\,du.
∫2∞ x(lnx)pdx =∫ln2∞ u−pdu. Последний интеграл сходится тогда и только тогда, когда p>1p>1p>1. Следовательно ряд сходится при p>1p>1p>1 и расходится при p≤1p\le1p≤1.
2) Альтернативное (и более наглядное) доказательство через сжатие Коши (Cauchy condensation). Для монотонно убывающей ana_nan ряд ∑an\sum a_n∑an сходится тогда и только тогда, когда сходится ∑2ka2k\sum 2^k a_{2^k}∑2ka2k . Для an=1n(lnn)pa_n=\frac{1}{n(\ln n)^p}an =n(lnn)p1 2ka2k=2k2k(ln2k)p=1(ln2)p⋅1kp, 2^k a_{2^k}=\frac{2^k}{2^k(\ln 2^k)^p}=\frac{1}{(\ln 2)^p}\cdot\frac{1}{k^p},
2ka2k =2k(ln2k)p2k =(ln2)p1 ⋅kp1 , то есть сводится к ppp-ряду; он сходится только при p>1p>1p>1.
3) Тонкости при p=1p=1p=1. При p=1p=1p=1 ряд
∑n=2∞1nlnn \sum_{n=2}^\infty\frac{1}{n\ln n}
n=2∑∞ nlnn1 расходится, но очень медленно. Из интегрального сравнения
∑k=2N1klnk=∫2Ndxxlnx+O(1)=lnlnN+O(1), \sum_{k=2}^{N}\frac{1}{k\ln k}=\int_{2}^{N}\frac{dx}{x\ln x}+O(1)=\ln\ln N+O(1),
k=2∑N klnk1 =∫2N xlnxdx +O(1)=lnlnN+O(1), поэтому частичные суммы растут как lnlnN\ln\ln NlnlnN и стремятся к бесконечности очень медленно. Это и есть «пограничный» случай: при любом p>1p>1p>1 добавочный фактор (lnn)p(\ln n)^p(lnn)p достаточно силён, чтобы обеспечить сходимость; при p=1p=1p=1 — нет.