diff --git a/Chapter 2 极限/比值判别法.md b/Chapter 2 极限/比值判别法.md new file mode 100644 index 0000000..5ac4e12 --- /dev/null +++ b/Chapter 2 极限/比值判别法.md @@ -0,0 +1,123 @@ +# 比值判别法 + +## 原理 + +对于正项级数 $\sum_{n=1}^{\infty}u_n\ (u_n>0)$,计算极限$\rho=\lim\limits_{n \to \infty}\frac{u_{n+1}}{u_n}$,根据$\rho$与 1 的大小关系判断级数敛散性。 +1. 若 $\boldsymbol{\rho<1}$,则级数收敛; +2. 若 $\boldsymbol{\rho>1}$(或 $\rho=+\infty$),则级数发散; +3. 若 $\boldsymbol{\rho=1}$,则判别法失效,需用其他方法(如比较判别法、积分判别法等)判断。 + +## **适用情况** + +主要适用于通项含阶乘、指数幂(如 $a^n$)、$n^n$ 等形式的正项级数,这类通项的 $\frac{u_{n+1}}{u_n}$ ,作商后阶乘、指数部分可大幅化简,极限易求。 + +## **优势** + +1. 化简效率高:通项含 n!、$a^n$ 时,作商 $\frac{u_{n+1}}{u_n}$ 能直接约去大量重复因子 +2. 判定直接:只需计算一个极限值与 1 比较,无需像比较判别法那样构造合适的参考级数,对初学者更友好。 + +## **劣势** + +1. 对通项形式依赖强:仅适合含阶乘、指数幂的正项级数,对于通项为多项式、分式(如 $u_n=\frac{1}{n^p}$)的级数,$\lim\limits_{n\to\infty}\frac{u_{n+1}}{u_n}=1$,判别法直接失效。 +2. 失效情形无判定能力:当极限 $\rho=1$ 时,无法判断级数敛散性,必须换用比较判别法、积分判别法等其他方法,增加了解题步骤。 +3. 仅针对正项级数:不能直接应用于任意项级数(如交错级数),若要使用,需先对通项取绝对值判断绝对收敛,再进一步分析条件收敛。 +4. 极限可能不存在:部分正项级数的 $\lim\limits_{n\to\infty}\frac{u_{n+1}}{u_n}$ 不存在,此时比值判别法无法使用。 + +## **例子** + +> [!example] 例1 +判定级数敛散性: +$$\sum_{n=1}^{\infty} \frac{2^n}{n!}$$ + + + +**解析** +用比值判别法: +$$\frac{a_{n+1}}{a_n} = \frac{2^{n+1}}{(n+1)!} \cdot \frac{n!}{2^n} = \frac{2}{n+1} \to 0$$ +因此收敛。 + + +>[!example] 例2 +设 $\alpha$ 为正常数,判定级数的敛散性: +$$\sum_{n=1}^\infty \frac{(2n-1)!!}{(n!)^\alpha}$$ + + +**解析** + +1. 记通项 + +$$a_n = \frac{(2n-1)!!}{(n!)^\alpha}$$ + +这里 $(2n-1)!! = 1\cdot 3\cdot 5 \cdots (2n-1) = \frac{(2n)!}{2^n \, n!}$。 + +所以:$$a_n = \frac{\frac{(2n)!}{2^n \, n!}}{(n!)^\alpha}= \frac{(2n)!}{2^n \, (n!)^{\alpha+1}}$$ + +2. 用比值判别法 +$$\frac{a_{n+1}}{a_n} = \frac{(2n+2)!}{2^{n+1}((n+1)!)^{\alpha+1}} \cdot \frac{2^n (n!)^{\alpha+1}}{(2n)!}$$ +化简:$$\frac{(2n+2)!}{(2n)!} = (2n+1)(2n+2) = 2(2n+1)(n+1)$$$$\frac{2^n}{2^{n+1}} = \frac12$$$$\frac{(n!)^{\alpha+1}}{((n+1)!)^{\alpha+1}} = \frac{1}{(n+1)^{\alpha+1}}$$ +所以:$$\frac{a_{n+1}}{a_n} + += \frac{2(2n+1)(n+1) \cdot \frac12}{(n+1)^{\alpha+1}} + += \frac{2n+1}{(n+1)^{\alpha}}$$ +3. 计算极限 +$$\lim_{n\to\infty} \frac{2n+1}{(n+1)^{\alpha}}$$ +· 若 $\alpha$> 1,极限为 0,比值判别法得出 $\lim \frac{a_{n+1}}{a_n}$ = 0 < 1,级数收敛。 + +· 若 $\alpha$ = 1,极限为 $\lim_{n\to\infty} \frac{2n+1}{n+1}$ = 2 > 1,级数发散。 + +· 若 0 < $\alpha$ < 1,极限为 $\infty$ > 1,级数发散。 + +4. 答案 + + 当$\alpha$>1时收敛,当 0 < $\alpha$ < 1 时发散 + +>[!example] **习题1** +级数 $$\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(2n)!}{(n!)^2} \cdot \frac{1}{5^n}$$ 的敛散性是 + +A. 收敛 + +B. 发散 + +C. 无法判断 + + +**解析** +$$a_n = \frac{(2n)!}{(n!)^2 \cdot 5^n}$$ + +$$\frac{a_{n+1}}{a_n} + += \frac{(2n+2)!}{((n+1)!)^2 \cdot 5^{n+1}} \cdot \frac{(n!)^2 \cdot 5^n}{(2n)!}$$ +化简: +$$\frac{(2n+2)!}{(2n)!} = (2n+2)(2n+1)$$ +$$\frac{(n!)^2}{((n+1)!)^2} = \frac{1}{(n+1)^2}$$ + +$$\frac{5^n}{5^{n+1}} = \frac15$$ +所以 + +$$\frac{a_{n+1}}{a_n} = \frac{(2n+2)(2n+1)}{(n+1)^2} \cdot \frac15 += \frac{2(2n+1)}{n+1} \cdot \frac15$$ +$$\lim_{n\to\infty} \frac{4n+2}{5(n+1)} = \frac{4}{5} < 1$$ +所以收敛。 + +答案:A + +>[!example] **习题2** +级数 $\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{3^n}{n^2}$ 的敛散性是 + +A. 收敛 + +B. 发散 + +C. 无法判断 + +解 +$$a_n = \frac{3^n}{n^2}$$ +$$\frac{a_{n+1}}{a_n} = \frac{3^{n+1}}{(n+1)^2} \cdot \frac{n^2}{3^n} + += 3 \cdot \frac{n^2}{(n+1)^2}$$ +$$\lim_{n\to\infty} 3 \cdot \frac{n^2}{(n+1)^2} = 3 > 1$$ + +所以发散。 + +答案:B \ No newline at end of file