双阶乘
本节分享一道和双阶乘有关的级数问题,这个题目非常经典,我将分享三个方法,一种方法是利用与三角放缩;第二种方法则直接利用代数不等式放缩;第三种方法则利用 \(\mathrm{Wallis}\) 极限结果直接进行等价!
例题
Example
证明:级数 \(\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(2n-1)!!}{(2n)!!}\) 发散
方法一:三角放缩
证明:首先回忆 \(\mathrm{Wallis}\) 公式的其中一种形式:
\[
I_{2n} = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^{2n} x \, \mathrm{d}x = \frac{(2n-1)!!}{(2n)!!} \cdot \frac{\pi}{2}
\]
由此,我们可以将通项中的双阶乘转化为定积分形式:
\[
\frac{(2n-1)!!}{(2n)!!} = \frac{2}{\pi} \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^{2n} x \, \mathrm{d}x
\]
考虑在区间 \(x \in [0, \dfrac{\pi}{2}]\) 上,正弦函数图像位于割线 \(y = \dfrac{2}{\pi}x\) 的上方,即满足 \(\mathrm{Jordan}\) 不等式:
\[
\sin x \geqslant \frac{2}{\pi}x
\]
将此不等式代入积分中:
\[
\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^{2n} x \, \mathrm{d}x \geqslant \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \left( \frac{2}{\pi}x \right)^{2n} \, \mathrm{d}x
\]
接下来计算放缩后的积分值:
\[
\begin{aligned}
\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \left( \frac{2}{\pi}x \right)^{2n} \, \mathrm{d}x &= \left( \frac{2}{\pi} \right)^{2n} \left[ \frac{x^{2n+1}}{2n+1} \right]_{0}^{\frac{\pi}{2}} \\
&= \left( \frac{2}{\pi} \right)^{2n} \cdot \frac{1}{2n+1} \cdot \left( \frac{\pi}{2} \right)^{2n+1} \\
&= \frac{\pi}{2} \cdot \frac{1}{2n+1}
\end{aligned}
\]
将上述结果代回通项公式中,得到通项的下界:
\[
\frac{(2n-1)!!}{(2n)!!} \geqslant \frac{2}{\pi} \cdot \left( \frac{\pi}{2} \cdot \frac{1}{2n+1} \right) = \frac{1}{2n+1}
\]
因为级数 \(\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{2n+1}\) 是发散的(其阶与调和级数 \(\displaystyle\sum \dfrac{1}{n}\) 相同),根据比较审敛法,下界发散则原级数必然发散。
所以,\(\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(2n-1)!!}{(2n)!!}\) 发散。
方法二:巧妙代数变形
分析:事实上,本题也可以不依赖于积分,通过纯粹的代数变形,证明通项 \(x_n > \dfrac{1}{2\sqrt{n}}\),进而利用 \(p\)- 级数证明发散。但是技巧性较高,初见不易想到。
证明:由于 \(n^2 - 1 < n^2\),可以分解因式得到(糖水不等式):
\[
(n-1)(n+1) < n^2 \implies \frac{n+1}{n} < \frac{n}{n-1}
\]
将其两边取倒数,不等号变向:
\[
\frac{n}{n+1} > \frac{n-1}{n}
\]
设通项为:
\[
x_n = \frac{(2n-1)!!}{(2n)!!} = \frac{1}{2} \cdot \frac{3}{4} \cdot \frac{5}{6} \cdots \frac{2n-1}{2n}
\]
根据上面推导出的不等式,我们对每一项进行缩小(例如 \(\dfrac{3}{4} > \dfrac{2}{3}\),\(\dfrac{5}{6} > \dfrac{4}{5}\) 依此类推):
\[
x_n = \frac{1}{2} \cdot \frac{3}{4} \cdot \frac{5}{6} \cdots \frac{2n-1}{2n} > \frac{1}{2} \cdot \frac{2}{3} \cdot \frac{4}{5} \cdots \frac{2n-2}{2n-1}
\]
注意到右边这一串乘积,如果我们在最前面乘以 \(\dfrac{2n}{2n}\)(也即分子分母同乘 \(2n\))并重新调整组合,它正好可以写成:
\[
\begin{aligned}
\frac{1}{2} \cdot \frac{2}{3} \cdot \frac{4}{5} \cdots \frac{2n-2}{2n-1} &= \frac{1}{2n} \cdot \left( \frac{2n}{2} \cdot \frac{2}{3} \cdot \frac{4}{5} \cdots \frac{2n-2}{2n-1} \right) \\
&= \dfrac{1}{2n} \cdot \dfrac{(2n)!!}{2\times(2n-1)!!} \\
&= \frac{1}{4n} \cdot \frac{1}{x_n}
\end{aligned}
\]
因此,我们得到了一个关于 \(x_n\) 的二次不等式:
\[
x_n > \frac{1}{4n \cdot x_n} \implies x_n^2 > \frac{1}{4n}
\]
因为 \(x_n > 0\),两边开平方得:
\[
x_n > \frac{1}{2\sqrt{n}}
\]
由此可知:
\[
\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(2n-1)!!}{(2n)!!} > \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{2\sqrt{n}}
\]
根据 \(p\)- 级数审敛法,\(\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^{1/2}}\) 属于 \(p = \dfrac{1}{2} \leqslant 1\) ,即发散的情况。
根据比较审敛法知,原级数发散。
方法三:Wallis 极限结论
事实上,除了上述两种方法,利用斯特林公式(\(\mathrm{Stirling}\))或 \(\mathrm{Wallis}\) 极限结果可以直接得出答案!
由 Wallis 极限形式可知,当 \(n \to \infty\) 时:
\[
\frac{(2n-1)!!}{(2n)!!} \sim \frac{1}{\sqrt{\pi n}}
\]
也就是说,原级数的通项与 \(\dfrac{1}{\sqrt{\pi n}}\) 是等价无穷小。
根据 \(p\)- 级数审敛法以及比较审敛法的极限形式,原级数 \(\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(2n-1)!!}{(2n)!!}\) 必然发散。
Tip
通过上面这三种方法,我对这道双阶乘级数问题做了深度剖析。后续遇到同类问题希望大家可以灵活选用解法、举一反三!
搜一搜