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¿Serie de comparaciones y logaritmos?

Demostrar la convergencia de

$$ \sum_{n = 1}^{\infty} {\sqrt{\, 2n - 1\,}\,\ln\left(4n + 1\right) \más n\left(n+1\right)} $$

He estado luchando durante horas en este. Por el libro de texto tenemos el límite de la prueba, la prueba de comparación, asintótica prueba e integral de la prueba. Cuando yo uso el asintótica prueba de mi cociente termina como $0$ o $\infty$, y no puedo probar nada. Ya estoy de auto estudio, tengo a nadie a quien recurrir. El resto de las preguntas fueron fáciles, pero no puedo entender esto. Por favor, ayuda!

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Oli Puntos 89

Los dos problemas tienen básicamente la misma técnica. Nos fijamos en la primera, que es un poco más difícil.

Primero vamos a discutir de manera informal. Tenga en cuenta que $\sqrt{2n-1}$ en el largo plazo se comporta como $\sqrt{2}\sqrt{n}$. Ya que no se preocupe acerca de constantes, digamos que se comporta como $\sqrt{n}$.

La parte inferior se comporta como $n^2$, lo $\frac{\sqrt{2n-1}}{n(n+1)}$ se comporta como $\frac{1}{n^{3/2}}$.

El plazo $\ln(4n+1)$, en el largo plazo, crece muy lentamente, más lentamente que cualquier potencia de $n$. Así, en el largo plazo, en particular, crece más lentamente que el $n^{1/4}$. Por lo tanto, en el largo plazo, nuestra expresión original va a $0$ más rápido que el de $\frac{1}{n^{5/4}}$.

Pero $\sum_1^\infty \frac{1}{n^{5/4}}$ converge. De ello se sigue que nuestro original de la serie converge.

En esencia, en $\frac{1}{n^{3/2}}$, el exponente $3/2$ es lo suficientemente grande para garantizar la convergencia. Así que coge un $n^{1/4}$ a partir de que a "matar" la $\ln(4n+1)$ plazo. Eso nos deja con $\frac{1}{n^{5/4}}$, que todavía va a $0$ lo suficientemente rápido.

Ahora es el momento de recurrir a la anterior en una más formal argumento, decir utilizando el Límite de la Prueba de Comparación. Deje $a_n$ $n$- ésimo término de la serie. Nos muestran que $$\lim_{n\to\infty} \frac{a_n}{\frac{1}{n^{5/4}}}=0.$$ Desde $n^{5/4}=n^{3/2}/n^{1/4}$, queremos mostrar que $$\lim_{n\to\infty} \frac{\sqrt{2n-1}\,n^{3/2}}{n(n+1)}\frac{\ln(4n+1)}{n^{1/4}}=0.$$ Podemos utilizar la Regla de L'Hospital de mostrar que $\lim_{n\to\infty}\frac{\ln(4n+1)}{n^{1/4}}=0$. Las técnicas estándar muestran que $$\lim_{n\to\infty}\frac{\sqrt{2n-1}\,n^{3/2}}{n(n+1)}=\sqrt{2}.$$ Esto completa el Límite de Comparación argumento.

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John Gallagher Puntos 183

Sugiero iniciar con algunas aproximaciones ondulado mano ásperas y luego realizar rigurosos. Por ejemplo, cuando es grande $n$ $$\frac {\sqrt{2n-1}}{n(n+1)}\approx \frac {\sqrt {2n}}{n^2}=\sqrt 2 n^{-3/2}$ $ y $\ln (4n+1) \sim \ln n$.

Vamos a intentar integrar $$\int x^{-3/2} \ln x \,dx.$$ Let $u = \ln x$, $du = \frac 1 x dx$, $dv = x^{-3/2}$, $v=-2 x^{-1/2}$. Esto da un integral de\begin{align*} -2x^{-1/2}\ln x - \int -2x^{-3/2}\,dx &=-2x^{-1/2}\ln x-4x^{-1/2} +C\\ &=-2\frac{\ln x}{\sqrt x}-4\frac{1}{\sqrt x}+C. \end{align*} por lo que la integral de, digamos, $1$ $+\infty$ de esta cosa es claramente finito.

2voto

J. LaRosee Puntos 546

$\ln n$ crece mucho, mucho, mucho más lentamente que cualquier potencia positiva de $n$. Lo $n$ bastante grande,

$$ \frac{\sqrt{2n-1}\ln(4n+2)}{n(n+1)} < \frac{\sqrt{2n}*n^{1/10}}{n^2}<\frac{2}{n^{14/10}}.$$

Utilice la prueba de comparación (entonces la prueba Integral). Usted puede tener que justificar la desigualdad primera, dependiendo de quién está pidiendo.

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