2024年 · 一-5
5.下列级数发散的是 .
A$\displaystyle{\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{2}+1}}$
B$\displaystyle{\sum_{n=1}^{\infty}\left(\frac{1}{2}\right)^{n}}$
C$\displaystyle{\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n \ln n}}$
D$\displaystyle{\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n(n + 1)}}$
选择题 ★★★
分析选项A
对于级数 $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{2}+1}$,可以将其与 $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{2}}$ 比较。由于 $\frac{1}{n^{2}+1} < \frac{1}{n^{2}}$,而 $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{2}}$ 是收敛的 $p$-级数($p=2>1$),因此 $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{2}+1}$ 也收敛。
分析选项B
对于级数 $\sum_{n=1}^{\infty}\left(\frac{1}{2}\right)^{n}$,这是一个等比级数,公比 $r = \frac{1}{2} < 1$,因此该级数收敛。
分析选项C
对于级数 $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n \ln n}$,可以使用积分判别法。考虑积分 $\int_{2}^{\infty} \frac{1}{x \ln x} dx = \ln(\ln x) \big|_{2}^{\infty} = \infty$,积分发散,因此级数 $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n \ln n}$ 发散。
分析选项D
对于级数 $\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n(n+1)}$,可以将其拆分为 $\sum_{n=1}^{\infty} \left(\frac{1}{n} - \frac{1}{n+1}\right)$,这是一个望远镜级数,其部分和为 $S_N = 1 - \frac{1}{N+1} \to 1$,因此该级数收敛。
结论
根据以上分析,选项C的级数是发散的。
分析第二题的选项A
由于 $\sum_{n=1}^{\infty} a_{n}$ 收敛,且 $2a_{n}$ 是 $a_{n}$ 的常数倍,因此 $\sum_{n=1}^{\infty} 2a_{n}$ 也收敛。选项A正确。
分析第二题的选项B
$\sum_{n=1}^{\infty}(-1)^{n-1} a_{n}$ 是一个交错级数,且 $a_{n}$ 单调递减趋于0(因为 $\sum a_{n}$ 收敛),根据莱布尼茨判别法,该级数收敛。选项B正确。
分析第二题的选项C
由于 $\sum_{n=1}^{\infty} a_{n}$ 收敛,$a_{n} \to 0$,因此存在 $N$ 使得当 $n > N$ 时 $a_{n} < 1$,从而 $a_{n}^{2} < a_{n}$。由比较判别法,$\sum_{n=1}^{\infty} a_{n}^{2}$ 收敛。选项C正确。
分析第二题的选项D
考虑反例 $a_{n} = \frac{1}{n^{2}}$,$\sum_{n=1}^{\infty} a_{n}$ 收敛,但 $\sum_{n=1}^{\infty} \sqrt{a_{n}} = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n}$ 是发散的调和级数。因此选项D错误。
结论
根据以上分析,第二题中错误的说法是选项D。