項を打ち消す級数の部分和 S₂ₙ, S₂ₙ₋₁(A)
★★☆☆☆☆☆(章末問題) / 作成者: shonan / 2026/10/26
🔁 類題: 項を打ち消す級数の部分和 S₂ₙ, S₂ₙ₋₁(B) (★★☆☆☆☆☆(章末問題))
問題
次の無限級数の収束・発散を調べ,収束するときはその和を求めよ.
\begin{enumerate}
\item[(1)] $1-\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{2}-\dfrac{1}{3}+\dfrac{1}{3}-\dfrac{1}{4}+\cdots$
\item[(2)] $2-\dfrac{3}{2}+\dfrac{3}{2}-\dfrac{4}{3}+\dfrac{4}{3}-\dfrac{5}{4}+\cdots$
\end{enumerate}
第 $n$ 項までの部分和を $S_n$ とする.項を括弧でくくってはいけないので,$S_{2n}$ と $S_{2n-1}$ を別々に調べる.
(1) $S_{2n}=\left(1-\dfrac{1}{2}\right)+\left(\dfrac{1}{2}-\dfrac{1}{3}\right)+\cdots+\left(\dfrac{1}{n}-\dfrac{1}{n+1}\right)=1-\dfrac{1}{n+1}$
$S_{2n-1}=S_{2n}+\dfrac{1}{n+1}=1$
$\displaystyle\lim_{n\to\infty}S_{2n}=\lim_{n\to\infty}S_{2n-1}=1$ であるから,収束して和は $1$
(2) 第 $2k-1$ 項は $\dfrac{k+1}{k}$,第 $2k$ 項は $-\dfrac{k+2}{k+1}$ である.
\[ S_{2n}=\left(2-\frac{3}{2}\right)+\left(\frac{3}{2}-\frac{4}{3}\right)+\cdots+\left(\frac{n+1}{n}-\frac{n+2}{n+1}\right)=2-\frac{n+2}{n+1} \]
よって $\displaystyle\lim_{n\to\infty}S_{2n}=2-1=1$
$S_{2n-1}=S_{2n}+\dfrac{n+2}{n+1}=2$ より $\displaystyle\lim_{n\to\infty}S_{2n-1}=2$
$S_{2n}$ と $S_{2n-1}$ の極限が一致しないから,この級数は発散する.
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