Processing math: 100%
Skip to main content
Library homepage
 
Global

9.4: Vipimo vya kulinganisha

  • Edwin “Jed” Herman & Gilbert Strang
  • OpenStax

Malengo ya kujifunza
  • Tumia mtihani wa kulinganisha ili kupima mfululizo wa kuunganisha.
  • Tumia mtihani wa kulinganisha kikomo ili kuamua muunganiko wa mfululizo.

Tumeona kwamba mtihani muhimu inaruhusu sisi kuamua muunganiko au tofauti ya mfululizo kwa kulinganisha na muhimu kuhusiana yasiyofaa. Katika sehemu hii, tunaonyesha jinsi ya kutumia vipimo vya kulinganisha ili kuamua muunganiko au tofauti ya mfululizo kwa kulinganisha na mfululizo ambao muunganiko au tofauti yake hujulikana. Kwa kawaida vipimo hivi hutumiwa kuamua muunganiko wa mfululizo ambao ni sawa na mfululizo wa kijiometri aup -mfululizo.

Mtihani wa kulinganisha

Katika sehemu mbili zilizopita, tulijadili madarasa mawili makubwa ya mfululizo: mfululizo wa kijiometri nap -mfululizo. Tunajua hasa wakati mfululizo huu hujiunga na wakati wanapotofautiana. Hapa tunaonyesha jinsi ya kutumia muunganiko au upatanisho wa mfululizo huu ili kuthibitisha muunganiko au tofauti kwa mfululizo mwingine, kwa kutumia njia inayoitwa mtihani wa kulinganisha.

Kwa mfano, fikiria mfululizo

n=11n2+1.

Mfululizo huu unaonekana sawa na mfululizo unaobadilika

n=11n2

Kwa kuwa maneno katika kila mfululizo ni chanya, mlolongo wa kiasi cha sehemu kwa kila mfululizo ni kuongezeka kwa monotone. Aidha, tangu

0<1n2+1<1n2

kwa integers wote chanyan, jumla yakth sehemuSk yan=11n2+1 satisfies

Sk=kn=11n2+1<kn=11n2<n=11n2.

(Angalia Kielelezo9.4.1a na Jedwali9.4.1.) Tangu mfululizo juu ya haki hujiunga, mlolongoSk umefungwa hapo juu. Tunahitimisha kwambaSk ni monotone kuongeza mlolongo kwamba ni imepakana juu. Kwa hiyo, kwa Theorem Monotone Convergence,Sk converges, na hivyo

n=11n2+1

hukutana.

Vile vile, fikiria mfululizo

n=11n1/2.

Mfululizo huu unaonekana sawa na mfululizo tofauti

n=11n.

Mlolongo wa kiasi cha sehemu kwa kila mfululizo ni monotone kuongezeka na

1n1/2>1n>0

kwa kila integer chanyan. Kwa hiyo, jumla yakth sehemuSk ya

n=11n1/2

hushibisha

Sk=kn=11n1/2>kn=11n.

(Angalia Kielelezo9.4.1n na Jedwali9.4.1). Kwa kuwa mfululizon=11n unajitokeza kwa infinity, mlolongo wa kiasi cha sehemukn=11n ni unbounded. Kwa hiyo,Sk ni mlolongo unbounded, na kwa hiyo diverges. Tunahitimisha kwamba

n=11n1/2

hutengana.

Hii inaonyesha grafu mbili kwa upande. Ya kwanza inaonyesha pointi zilizopangwa kwa kiasi cha sehemu kwa jumla ya 1/n ^ 2 na jumla 1/ (n ^ 2 + 1). Kila moja ya kiasi cha sehemu ya mwisho ni chini ya jumla ya sambamba ya sehemu ya zamani. Ya pili inaonyesha pointi zilizopangwa kwa kiasi cha sehemu kwa jumla ya 1/ (n - 0.5) na jumla 1/n.Kila moja ya kiasi cha sehemu ya mwisho ni chini ya jumla ya sehemu ya sambamba ya zamani.
Kielelezo9.4.1: (a) Kila moja ya kiasi cha sehemu ya mfululizo uliopewa ni chini ya sambamba sehemu ya jumla kwa convergingpseries. (b) Kila moja ya kiasi sehemu ya mfululizo kutokana ni kubwa kuliko sambamba sehemu jumla kwa diverging harmonic mfululizo.
Jedwali9.4.1: Kulinganisha mfululizo nap -mfululizo (p=2)
k 1 2 3 4 5 6 7 8
kn=11n2+1 0.5 0.7 0.8 0.8588 0.8973 0.9243 0.9443 0.9597
kn=11n2 1 1.25 1.3611 1.4236 1.4636 1.4914 1.5118 1.5274
Jedwali9.4.2: Kulinganisha mfululizo na mfululizo wa harmonic
k 1 2 3 4 5 6 7 8
kn=11n1/2 2 2.6667 3.0667 3.3524 3.5746 3.7564 3.9103 4.0436
kn=11n 1 1.5 1.8333 2.0933 2.2833 2.45 2.5929 2.7179
Mtihani wa kulinganisha
  1. Tuseme kuna integerN such that 0anbn for all nN. If n=1bn converges, then n=1an converges.
  2. Tuseme kuna integerN such that anbn0 for all nN. If n=1bn diverges, then n=1an diverges.
Ushahidi

Sisi kuthibitisha sehemu i. ushahidi wa sehemu ya ii. ni contrapositive ya sehemu i. basiSk be the sequence of partial sums associated with n=1an, and let L=n=1bn. Since the terms an0,

Sk=a1+a2++aka1+a2++ak+ak+1=Sk+1.

Kwa hiyo, mlolongo wa kiasi cha sehemu huongezeka. Zaidi ya hayo, tanguanbn for all nN, then

kn=Nankn=Nbnn=1bn=L.

Kwa hiyo, kwa wotek1,

Sk=(a1+a2++aN1)+kn=Nan(a1+a2++aN1)+L.

Tangua1+a2++aN1 is a finite number, we conclude that the sequence Sk is bounded above. Therefore, Sk is an increasing sequence that is bounded above. By the Monotone Convergence Theorem, we conclude that Sk converges, and therefore the series n=1an converges.

Kutumia mtihani wa kulinganisha ili kuamua muunganiko au tofauti ya mfululizon=1an, it is necessary to find a suitable series with which to compare it. Since we know the convergence properties of geometric series and p-series, these series are often used. If there exists an integer N such that for all nN, each term an is less than each corresponding term of a known convergent series, then n=1an converges. Similarly, if there exists an integer N such that for all nN, each term an is greater than each corresponding term of a known divergent series, then n=1an diverges.

Mfano9.4.1: Using the Comparison Test

Kwa kila mfululizo wafuatayo, tumia mtihani wa kulinganisha ili uone kama mfululizo unajiunga au hupungua.

  1. n=1=1n3+3n+1
  2. n=1=12n+1
  3. n=2=1lnn

Suluhisho

a. kulinganisha nan=11n3. Kwa kuwan=11n3 nip -mfululizo nap=3, hujiunga. Zaidi ya hayo,

1n3+3n+1<1n3

kwa kila integer chanyan. Kwa hiyo, tunaweza kuhitimisha kwamban=11n3+3n+1 hujiunga.

b. kulinganisha nan=1(12)n. Kwa kuwan=1(12)n ni mfululizo wa kijiometrir=12 na na|12|<1, hujiunga. Pia,

12n+1<12n

kwa kila integer chanyan. Kwa hiyo, tunaona kwamban=112n+1 hujiunga.

c. kulinganisha nan=21n. Tangu

1lnn>1n

kwa kila integern2 nan=21n diverges, tuna kwamban=21lnn diverges.

Zoezi9.4.1

Tumia mtihani wa kulinganisha ili uone ikiwa mfululizon=1nn3+n+1 unajiunga au unapungua.

Kidokezo

Pata thamanip kama hiyonn3+n+11np.

Jibu

Mfululizo hujiunga.

Limit kulinganisha mtihani

mtihani kulinganisha kazi vizuri kama tunaweza kupata mfululizo kulinganishwa kuridhisha hypothesis ya mtihani. Hata hivyo, wakati mwingine kutafuta mfululizo sahihi inaweza kuwa vigumu. Fikiria mfululizo

n=21n21.

Ni kawaida kulinganisha mfululizo huu na mfululizo unaobadilika.

n=21n2.

Hata hivyo, mfululizo huu haikidhi hypothesis muhimu kutumia mtihani wa kulinganisha kwa sababu

1n21>1n2

kwa integers woten2. Ingawa tunaweza kuangalia kwa mfululizo tofauti na ambayo kulinganishan=21n21, badala sisi kuonyesha jinsi tunaweza kutumia kikomo kulinganisha mtihani kulinganisha

n=21n21

na

n=21n2.

Hebu tuchunguze wazo nyuma ya mtihani wa kulinganisha kikomo. Fikiria mbili mfululizon=1ann=1bn na. kwa maneno mazurianbn na kutathmini

limnanbn.

Kama

limnanbn=L0,

basi, kwan kutosha kubwa,anLbn. Kwa hiyo, ama mfululizo wote hujiunga au mfululizo wote hutofautiana. Kwa mfululizon=21n21 nan=21n2, tunaona kwamba

limn1/(n21)1/n2=limnn2n21=1.

Tangun=21n2 converges, sisi kuhitimisha kwamba

n=21n21

hukutana.

Mtihani wa kulinganisha kikomo unaweza kutumika katika kesi nyingine mbili. Tuseme

limnanbn=0.

Katika kesi hii,an/bn ni mlolongo imepakana. Matokeo yake, kuna mara kwa maraM kama hiyoanMbn. Kwa hiyo, ikiwan=1bn hujiunga, kishan=1an hujiunga. Kwa upande mwingine, tuseme

limnanbn=.

Katika kesi hii,an/bn ni mlolongo unbounded. Kwa hiyo, kwa kila maraM kuna integerN kama hiyoanMbn kwa wotenN. Kwa hiyo,n=1bn ikiwa hupungua,n=1an kisha hupungua pia.

Limit kulinganisha mtihani

Hebuan,bn0 kwa woten1.

  1. Ikiwalimnanbn=L0, basin=1an nan=1bn wote wawili hujiunga au wote wawili wanatofautiana.
  2. Ikiwalimnanbn=0 nan=1bn hujiunga, kishan=1an hujiunga.
  3. Ikiwalimnanbn= nan=1bn hutofautiana, basin=1an hupungua.

Kumbuka kwamba ikiwaanbn0 nan=1bn hutofautiana, mtihani wa kulinganisha kikomo hautoi habari. Vile vile, ikiwaanbn nan=1bn hujiunga, mtihani pia hautoi habari. Kwa mfano, fikiria mfululizo mbilin=11n nan=11n2. Mfululizo huu ni wotep -mfululizop=12 nap=2, kwa mtiririko huo. Tangup=12<1, mfululizon=11n hupungua. Kwa upande mwingine, tangup=2>1, mfululizon=11n2 hujiunga. Hata hivyo, tuseme tulijaribu kutumia mtihani wa kulinganisha kikomo, kwa kutumia pmfululizo wa mfululizon=11n3 kama mfululizo wetu wa kulinganisha. Kwanza, tunaona kwamba

1/n1/n3=n3n=n5/2 as n.

Vile vile, tunaona kwamba

1/n21/n3=n as n.

Kwa hiyo, kamaanbn wakatin=1bn converges, hatuwezi kupata taarifa yoyote juu ya muunganiko au tofauti yan=1an.

Mfano9.4.2: Using the Limit Comparison Test

Kwa kila moja ya mfululizo wafuatayo, tumia mtihani wa kulinganisha kikomo ili uone kama mfululizo unajiunga au hupungua. Ikiwa mtihani hautumiki, sema hivyo.

  1. n=11n+1
  2. n=12n+13n
  3. n=1ln(n)n2

Suluhisho

a. kulinganisha mfululizo huu kwan=11n. Tumia

limn1/(n+1)1/n=limnnn+1=limn1/n1+1/n=1.

Kwa mtihani wa kulinganisha kikomo,n=11n tangu hupungua, kishan=11n+1 hupungua.

b. kulinganisha mfululizo huu kwan=1(23)n. Tunaona kwamba

limn(2n+1)/3n2n/3n=limn2n+13n3n2n=limn2n+12n=limn[1+(12)n]=1.

Kwa hiyo,

limn(2n+1)/3n2n/3n=1.

Tangun=1(23)n hujiunga, tunahitimisha kuwan=12n+13n hujiunga.

c. tangulnn<n, kulinganisha nan=11n. Tunaona kwamba

limnlnn/n21/n=limnlnnn2n1=limnlnnn.

Ili kutathminilimnlnn/n, tathmini kikomo kamax ya kazi halisi ya thamaniln(x)/x. Mipaka hii miwili ni sawa, na kufanya mabadiliko haya inatuwezesha kutumia utawala wa L'Hôpital. Tunapata

limxlnxx=limx1x=0.

Kwa hiyolimnlnnn=0, na, kwa hiyo,

limn(lnn)/n21/n=0.

Kwa kuwa kikomo ni0 lakinin=11n kinapungua, mtihani wa kulinganisha kikomo haitoi taarifa yoyote.

Linganisha nan=11n2 badala yake. Katika kesi hiyo,

limn(lnn)/n21/n2=limnlnnn2n21=limnlnn=.

Kwa kuwa kikomo ni lakinin=11n2 hujiunga, mtihani bado hautoi taarifa yoyote.

Kwa hiyo sasa tunajaribu mfululizo kati ya mbili ambazo tayari tumejaribu. Kuchagua mfululizon=11n3/2, tunaona kwamba

limn(lnn)/n21/n3/2=limnlnnn2n3/21=limnlnnn.

Kama hapo juu, ili kutathminilimnlnnn, tathmini kikomo kamax ya kazi halisi ya thamanilnnn. Kwa kutumia utawala wa L'Hôpital,

limxlnxx=limx2xx=limx2x=0.

Kwa kuwa kikomo ni0 nan=11n3/2 hujiunga, tunaweza kuhitimisha kwamban=1lnnn2 hujiunga.

Zoezi9.4.2

Tumia mtihani wa kulinganisha kikomo ili uone kama mfululizon=15n3n+2 unajiunga au hupungua.

Kidokezo

Linganisha na mfululizo wa kijiometri.

Jibu

Mfululizo hutofautiana.

Dhana muhimu

  • Vipimo vya kulinganisha hutumiwa kuamua kuunganishwa au kutofautiana kwa mfululizo na maneno mazuri.
  • Wakati wa kutumia vipimo vya kulinganisha, mfululizo mara nyingin=1an hulinganishwa na kijiometri aup -mfululizo.

faharasa

mtihani wa kulinganisha
Ikiwa0anbn kwa wotenN nan=1bn hujiunga, basin=1an hujiunga; ikiwaanbn0 kwa wotenNn=1bn na hupungua, basin=1an hupungua.
mtihani wa kulinganisha kikomo
Tusemean,bn0 kwa woten1. Ikiwalimnan/bnL0, basin=1an nan=1bn wote wawili hujiunga au wote wawili wanatofautiana; ikiwalimnan/bn0 nan=1bn hujiunga, kishan=1an hujiunga. Ikiwalimnan/bn, nan=1bn hupungua, basin=1an hupungua.