18.(5.0分)lim_(ntoinfty)u_(n)=0是常数项级数sum_(n=1)^inftyu_(n)收敛的必要不充分条件。()A. 对B. 错
A. 对
B. 错
题目解答
答案
解析
本题考查常数项级数收敛的必要条件以及充分条件的判断。解题思路是先明确常数项级数收敛的必要条件,再通过举例说明该条件不是充分条件,从而判断命题的正确性。
1. 证明$\lim_{n\to\infty}u_{n}=0$是常数项级数$\sum_{n = 1}^{\infty}u_{n}$收敛的必要条件
设常数项级数$\sum_{n = 1}^{\infty}u_{n}$的部分和为$S_{n}=\sum_{k = 1}^{n}u_{k}$,且$\lim_{n\to\infty}S_{n}=S$(即级数收敛)。
因为$u_{n}=S_{n}-S_{n - 1}$($n\geq2$),那么$\lim_{n\to\infty}u_{n}=\lim_{n\to\infty}(S_{n}-S_{n - 1})$。
根据极限的运算法则$\lim_{n\to\infty}(S_{n}-S_{n - 1})=\lim_{n\to\infty}S_{n}-\lim_{n\to\infty}S_{n - 1}$,又因为$\lim_{n\to\infty}S_{n}=\lim_{n\to\infty}S_{n - 1}=S$,所以$\lim_{n\to\infty}u_{n}=S - S = 0$。
这就证明了若常数项级数$\sum_{n = 1}^{\infty}u_{n}$收敛,则$\lim_{n\to\infty}u_{n}=0$,即$\lim_{n\to\infty}u_{n}=0$是常数项级数$\sum_{n = 1}^{\infty}u_{n}$收敛的必要条件。
2. 证明$\lim_{n\to\infty}u_{n}=0$不是常数项级数$\sum_{n = 1}^{\infty}u_{n}$收敛的充分条件
考虑调和级数$\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{1}{n}$,对于$u_{n}=\frac{1}{n}$,有$\lim_{n\to\infty}u_{n}=\lim_{n\to\infty}\frac{1}{n}=0$。
下面用反证法证明调和级数$\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{1}{n}$发散。
假设调和级数$\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{1}{n}$收敛,设其和为$S$,即$S = 1+\frac{1}{2}+\frac{1}{3}+\frac{1}{4}+\cdots$。
$S_{2n}-S_{n}=\frac{1}{n + 1}+\frac{1}{n + 2}+\cdots+\frac{1}{2n}\gt\frac{1}{2n}+\frac{1}{2n}+\cdots+\frac{1}{2n}$(共$n$项),即$S_{2n}-S_{n}\gt\frac{n}{2n}=\frac{1}{2}$。
当$n\to\infty$时,$\lim_{n\to\infty}(S_{2n}-S_{n})\geq\frac{1}{2}\neq0$,这与级数收敛时$\lim_{n\to\infty}(S_{2n}-S_{n}) = 0$矛盾,所以调和级数$\sum_{n = 1}^{\infty}\frac{1}{n}$发散。
这表明存在$\lim_{n\to\infty}u_{n}=0$的级数$\sum_{n = 1}^{\infty}u_{n}$是发散的,即$\lim_{n\to\infty}u_{n}=0$不是常数项级数$\sum_{n = 1}^{\infty}u_{n}$收敛的充分条件。
综上,$\lim_{n\to\infty}u_{n}=0$是常数项级数$\sum_{n = 1}^{\infty}u_{n}$收敛的必要不充分条件,所以该命题正确。