AMKbook.Net Задачи должны иметь решение

Радикальный признак Коши. Вторая часть.

Задача №1

Условие

Исследовать ряд \(\displaystyle{\sum\limits_{n=1}^{\infty}\left(\sin\frac{4}{n^2+2n}\right)^{\frac{n}{2}}}\) на сходимость.

Решение

Общий член ряда записан под знаком суммы: \(\displaystyle{u_n=\left(\sin\frac{4}{n^2+2n}\right)^{\frac{n}{2}}}\). Так как при \(\displaystyle{n\in{N}}\) имеем \(\displaystyle{0 \lt \frac{4}{n^2+2n} \lt \pi}\), то \(\displaystyle{\sin\frac{4}{n^2+2n}\gt{0}}\), т.е. \(\displaystyle{u_n \gt {0}}\). Применим радикальный признак Коши:

\[ \lim_{n\to\infty}\sqrt[n]{u_n} =\lim_{n\to\infty}\sqrt[n]{\left(\sin\frac{4}{n^2+2n}\right)^{\frac{n}{2}}} =\lim_{n\to\infty}\left(\sin\frac{4}{n^2+2n}\right)^{\frac{n}{2n}} =\lim_{n\to\infty}\left(\sin\frac{4}{n^2+2n}\right)^{\frac{1}{2}} =0 \]

Так как \(\displaystyle{0 \lt {1}}\), то ряд сходится.

Ответ:

ряд сходится.

Задача №2

Условие

Исследовать ряд \(\displaystyle{\sum\limits_{n=1}^{\infty}\frac{\left(3n^2+7\right)\cdot 5^{2n-1}}{4^n}}\) на сходимость.

Решение

Общий член ряда: \(\displaystyle{u_n=\frac{\left(3n^2+7\right)\cdot 5^{2n-1}}{4^n}\gt{0}}\). Общий член ряда содержит элементы в степени \(\displaystyle{2n-1}\) и \(\displaystyle{n}\). Кроме того, есть скобка \(\displaystyle{\left(3n^2+7\right)}\), которая несколько выбивается из общей структуры. В этом случае, честно говоря, удобней применить признак Д'Аламбера. Однако при желании можно использовать и радикальный признак Коши:

\[ \lim_{n\to\infty}\sqrt[n]{u_n} =\lim_{n\to\infty}\sqrt[n]{\frac{\left(3n^2+7\right)\cdot {5}^{2n-1}}{4^n}} =\lim_{n\to\infty}\frac{\sqrt[n]{3n^2+7}\cdot {5}^{2-\frac{1}{n}}}{4} \]

Отдельно найдём предел \(\displaystyle{\lim_{n\to\infty}\sqrt[n]{3n^2+7}}\). Вычислим предел функции \(\displaystyle{y(x)=\left(3x^2+7\right)^\frac{1}{x}}\) при \(\displaystyle{x\to +\infty}\). В нахождении предела поможет правило Лопиталя. Так как \(\displaystyle{a^b=e^{b\ln{a}}}\) (\(\displaystyle{a \gt {0}}\)), то

\[ \lim_{x\to +\infty}\left(3x^2+7\right)^\frac{1}{x} =\lim_{x\to +\infty}e^{\frac{1}{x}\cdot\ln\left(3x^2+7\right)} =\lim_{x\to +\infty}e^{\frac{\ln\left(3x^2+7\right)}{x}} \]

Обратимся к пределу \(\displaystyle{\lim_{x\to +\infty}\frac{\ln\left(3x^2+7\right)}{x}}\). Мы имеем неопределённость вида \(\displaystyle{\frac{\infty}{\infty}}\), которую раскроем с помощью правила Лопиталя:

\[ \lim_{x\to +\infty}\frac{\ln\left(3x^2+7\right)}{x} =\left[\frac{\infty}{\infty}\right] =\lim_{x\to +\infty}\frac{\left(\ln\left(3x^2+7\right)\right)'}{(x)'}=\\ =\lim_{x\to +\infty}\frac{6x}{3x^2+7} =\lim_{x\to +\infty}\frac{\frac{6x}{x^2}}{\frac{3x^2}{x^2}+\frac{7}{x^2}}=\lim_{x\to +\infty}\frac{\frac{6}{x}}{3+\frac{7}{x^2}} =\frac{0}{3+0}=0 \]

Так как \(\displaystyle{\lim_{x\to +\infty}\frac{\ln\left(3x^2+7\right)}{x}=0}\), то

\[ \lim_{x\to +\infty}\left(3x^2+7\right)^\frac{1}{x} =e^{\lim\limits_{x\to +\infty}\frac{\ln\left(3x^2+7\right)}{x}} =e^0 =1 \]

Так как \(\displaystyle{\lim_{x\to +\infty}\left(3x^2+7\right)^\frac{1}{x}=1}\), то

\[ \lim_{n\to\infty}\sqrt[n]{3n^2+7} =\lim_{n\to\infty}\left(3n^2+7\right)^\frac{1}{n} =1 \]

Возвращаемся к пределу \(\displaystyle{\lim_{n\to\infty}\frac{\sqrt[n]{3n^2+7}\cdot 5^{2-\frac{1}{n}}}{4}}\):

\[ \lim_{n\to\infty}\frac{\sqrt[n]{3n^2+7}\cdot 5^{2-\frac{1}{n}}}{4}=\frac{1\cdot 5^{2-0}}{4}=\frac{25}{4}. \]

Так как \(\displaystyle{\lim_{n\to\infty}\sqrt[n]{u_n}=\frac{25}{4}\gt{1}}\), то заданный ряд расходится.

Ответ:

ряд расходится.

Задача №3

Условие

Исследовать ряд \(\displaystyle{\sum\limits_{n=1}^{\infty}\frac{n^n}{7^n\cdot n!}}\) на сходимость.

Решение

Общий член ряда: \(\displaystyle{u_n=\frac{n^n}{7^n\cdot n!}\gt{0}}\). Общий член ряда содержит произведение элементов в степени \(\displaystyle{n}\). Кроме того, есть \(\displaystyle{n!}\), который несколько не укладывается в стандартную структуру общего члена ряда для применения радикального признака Коши. В этом случае удобно применить признак Д'Аламбера. Однако при желании можно использовать и радикальный признак Коши. Так как при \(\displaystyle{n\to\infty}\) имеем \(\displaystyle{n!\sim\left(\frac{n}{e}\right)^n\cdot\sqrt{2\pi n}}\) (формула Стирлинга), то:

\[ \lim_{n\to\infty}\sqrt[n]{u_n} =\lim_{n\to\infty}\sqrt[n]{\frac{n^n}{7^n\cdot n!}} =\lim_{n\to\infty}\sqrt[n]{\frac{n^n}{7^n\cdot\left(\frac{n}{e}\right)^n\cdot\sqrt{2\pi {n}}}} =\lim_{n\to\infty}\left(\frac{e}{7}\cdot\frac{1}{\sqrt[2n]{2\pi {n}}}\right) \]

Так как \(\displaystyle{\lim_{n\to\infty}\sqrt[2n]{2\pi {n}}=1}\) (это доказывается точно так же, как в предыдущем примере доказывалось равенство \(\displaystyle{\lim_{n\to\infty}\sqrt[n]{3n^2+7}=1}\)), то

\[ \lim_{n\to\infty}\sqrt[n]{u_n} =\frac{e}{7}\cdot {1} =\frac{e}{7} \]

Так как \(\displaystyle{\frac{e}{7}\lt{1}}\), то заданный ряд сходится.

Кстати сказать, сходимость этого ряда можно также проверить и с помощью первого признака сравнения (см. задачу №9 на странице по ссылке).

Ответ:

ряд сходится.