Is [math] \ sum \ limits_ {n = 1} ^ {\ infty} \ int_0 ^ {\ frac {1} {n}} \ ln \ left (\ frac {1 + t ^ 3} {t} \ right ) \, dt [/ math] convergente?

Primero, observe algunas cosas:

  1. [matemáticas] \ ln (\ frac {1 + t ^ 3} {t}) = \ ln (1 + t ^ 3) – \ ln (t) [/ matemáticas]
  2. para t pequeño, [matemáticas] \ ln (1 + t ^ 3) \ aprox t ^ 3 [/ matemáticas]

usando estos hechos, obtenemos:

[matemáticas] \ sum_ {n = 1} ^ \ infty \ int_0 ^ {1 / n} \ ln (\ frac {1 + t ^ 3} {t}) dt [/ matemáticas]

[math] = \ sum_ {n = 1} ^ \ infty \ int_0 ^ {1 / n} \ ln (1 + t ^ 3) – \ ln (t) dt [/ math]

[matemáticas] \ aprox \ sum_ {n = 1} ^ \ infty \ int_0 ^ {1 / n} t ^ 3- \ ln (t) dt [/ matemáticas]

tomando las integrales:

[matemáticas] = \ sum_ {n = 1} ^ \ infty \ frac {1} {4 * n ^ 4} – \ frac {- \ ln (n) -1} {n} [/ matemáticas]

sabemos que [math] \ sum_ {n = 1} ^ \ infty [/ math] [math] \ frac {1} {4 * n ^ 4} [/ math] converge. De hecho, es [matemáticas] \ frac {\ pi ^ 4} {360} [/ matemáticas], por lo que podemos dejar esa parte sola por ahora.

[matemática] \ sum_ {n = 1} ^ \ infty \ frac {\ ln (n) +1} {n} [/ matemática], sin embargo, diverge claramente en comparación con la serie armónica.

Así toda la serie diverge

nota: para ser riguroso, debería haber señalado el error al aproximar [matemáticas] \ ln (1 + t ^ 3) [/ matemáticas] por [matemáticas] t ^ 3 [/ matemáticas].

Hay muchas otras formas de resolver este problema. La integral en realidad tiene una forma cerrada que no es demasiado terrible para trabajar (pero tampoco es agradable), por lo que puede evaluar eso y mostrar que la suma resultante diverge. También puede, como era mi plan inicial, usar el teorema del valor medio de una manera inteligente. Sin embargo, eso se vuelve un poco complicado y no estoy seguro de qué tan familiarizado está con ese tipo de metodología, así que pensé que el enfoque anterior sería el mejor.

* A2A

[matemáticas] \ ln \ left (\ dfrac {1 + t ^ 3} {t} \ right) = \ ln (1 + t ^ 3) – \ ln t> – \ ln t = \ ln \ left (\ dfrac {1} {t} \ right) [/ math]


[matemáticas] \ displaystyle \ int_0 ^ {\ frac {1} {n}} – \ ln t \, dt [/ math]

[matemáticas] \ displaystyle = -t \ ln t + t \ bigg | _0 ^ {\ frac {1} {n}} [/ matemáticas]

[matemáticas] \ displaystyle = \ dfrac {1} {n} (\ ln n + 1)> \ dfrac {1} {n} [/ matemáticas]


Nuestra pregunta es sobre el problema.

[matemáticas] \ displaystyle \ sum_ {n = 1} ^ {\ infty} \ int_0 ^ {\ frac {1} {n}} \ ln \ left (\ dfrac {1 + t ^ 3} {t} \ right) \, dt> \ displaystyle \ sum_ {n = 1} ^ {\ infty} \ dfrac {1} {n} [/ math]

[math] \ displaystyle \ sum_ {n = 1} ^ {\ infty} \ dfrac {1} {n} [/ math] diverge, porque es la suma armónica OR a través de la prueba de la serie p.

Por lo tanto, [matemáticas] \ displaystyle \ sum_ {n = 1} ^ {\ infty} \ int_0 ^ {\ frac {1} {n}} \ ln \ left (\ dfrac {1 + t ^ 3} {t} \ right ) \, dt [/ math] diverge a través de la prueba de comparación.


Veo que mi trabajo es exactamente el mismo que Ruirui Liu hizo antes que yo. Entonces el crédito va para él.

Fácilmente sabemos

[matemáticas] \ displaystyle \ int_0 ^ {\ frac {1} {n}} \ ln \ left (\ frac {1 + t ^ 3} {t} \ right) dt> \ int_0 ^ {\ frac {1} { n}} \ ln \ left (\ frac {1} {t} \ right) dt [/ math]

Si bien también sabemos

[matemáticas] \ displaystyle \ int_0 ^ {\ frac {1} {n}} \ ln \ left (\ frac {1} {t} \ right) dt = \ frac {1} {n} (\ ln n + 1 )> \ frac {1} {n} [/ math]

Para que podamos tener

[matemáticas] \ displaystyle \ int_0 ^ {\ frac {1} {n}} \ ln \ left (\ frac {1 + t ^ 3} {t} \ right) dt> \ frac {1} {n} [/ matemáticas]

Todos sabemos que las series armónicas [matemáticas] \ sum_ {n = 1} ^ {\ infty} \ frac {1} {n} [/ matemáticas] divergen, por lo que la serie en la pregunta diverge.

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