AMKbook.Net Задачи должны иметь решение

Задача №2348

Условие

Найти n-ю частичную сумму \(\displaystyle{S_n}\) ряда \(\displaystyle{\sum\limits_{n=2}^{\infty}\ln\frac{n^3-1}{n^3+1}}\) и сумму \(\displaystyle{S}\) этого ряда.

Решение

Начнём нумерацию с единицы – это мне видится немного более удобным.

\[ \sum\limits_{n=2}^{\infty}\ln\frac{n^3-1}{n^3+1} =\sum\limits_{n=2}^{\infty}\ln\frac{(n-1)\left(n^2+n+1\right)}{(n+1)\left(n^2-n+1\right)}=\\ =\sum\limits_{n=1}^{\infty}\ln\frac{n\left((n+1)^2+n+1+1\right)}{(n+2)\left((n+1)^2-(n+1)+1\right)} =\sum\limits_{n=1}^{\infty}\ln\frac{n\left(n^2+3n+3\right)}{(n+2)\left(n^2+n+1\right)} \]

Теперь составим \(\displaystyle{S_n}\).

\[ \]
\[ S_n =\sum\limits_{k=1}^{n}\ln\frac{k\left(k^2+3k+3\right)}{(k+2)\left(k^2+k+1\right)} =\sum\limits_{k=1}^{n}\left(\ln{k}+\ln\left(k^2+3k+3\right)-\ln(k+2)-\ln\left(k^2+k+1\right)\right)=\\ =\sum\limits_{k=1}^{n}\ln{k} - \sum\limits_{k=1}^{n}\ln(k+2) + \sum\limits_{k=1}^{n}\ln\left((k+1)^2 + (k+1) + 1\right) - \sum\limits_{k=1}^{n}\ln\left(k^2+k+1\right) = \\ =\sum\limits_{k=1}^{n}\ln{k} - \sum\limits_{k=3}^{n+2}\ln{k} + \sum\limits_{k=2}^{n+1}\ln\left(k^2+k+1\right) - \sum\limits_{k=1}^{n}\ln\left(k^2+k+1\right) = \\ = \sum\limits_{k=1}^{n+2}\ln{k}-\ln(n+1)-\ln(n+2) - \left(\sum\limits_{k=1}^{n+2}\ln{k} - \ln{2}\right) + \\ + \sum\limits_{k=1}^{n+1}\ln\left(k^2+k+1\right) - \ln{3} - \left(\sum\limits_{k=1}^{n+1}\ln\left(k^2+k+1\right) - \ln\left((n+1)^2+n+1+1\right)\right) =\\ = -\ln(n+1)-\ln(n+2) + \ln\frac{2}{3} + \ln\left(n^2 + 3n + 3\right) = \ln\frac{n^2+3n+3}{n^2+3n+2} + \ln\frac{2}{3} \]

Зная \(\displaystyle{S_n}\), вычислим \(\displaystyle{\lim_{n\to\infty}S_n}\):

\[ \lim_{n\to\infty}S_n = \lim_{n\to\infty}\left( \ln\frac{n^2+3n+3}{n^2+3n+2} + \ln\frac{2}{3} \right) = \ln\frac{2}{3} \]

Итак, сумма ряда равна \(\displaystyle{\ln\frac{2}{3}}\). К слову, насколько я могу судить, ответ в задачнике неверен.

Ответ:

\(\displaystyle{S_n = \ln\frac{n^2+3n+3}{n^2+3n+2} + \ln\frac{2}{3}}\), \(\displaystyle{S = \ln\frac{2}{3}}\).

Источники задачи

Задачник №3Кудрявцев "Сборник задач по математическому анализу" (том №2)
Параграф №13Свойства сходящихся рядов
Задача №6
Пункт №3