無窮級數與收斂

比值判別法

比值判別法追問每一項與前一項相比大小如何。若長程來看每一項都比其前驅小一個固定的比例,則該級數表現得像一個收縮的幾何級數而收斂;若每一項傾向於更大,則它爆漲。當各項含有階乘或指數時,這是首選的判別法。

形式上,考慮 L = lim |a_{n+1} / a_n|(若普通極限不存在,則取上極限)。則:若 L < 1,級數 sum a_n 絕對收斂;若 L > 1(或比值趨於無窮),級數發散;若 L = 1,判別法無效,不提供任何資訊。證明的思路正是幾何比較:當 L < 1 時,尾段被一個公比略大於 L 的收斂幾何級數所控制。

對 L = 1 這一盲點要坦白:每個 p-級數的比值極限都是 1,然而有些收斂(p > 1)有些發散(p <= 1),故比值判別法無法區分它們。當 L = 1 時,改用根值判別法(它至少同樣有力)、積分判別法或比較判別法。比值判別法恰恰在比值有一個遠離 1 的乾淨極限時大放異彩。

對 sum 1/n!,比值 |a_{n+1}/a_n| = n!/(n+1)! = 1/(n+1) -> 0 < 1,故級數收斂(從 n = 1 起其和為 e - 1,從 n = 0 起為 e)。

階乘使比值判別法天然適用;此處比值趨於 0。

又稱
d'Alembert's test达朗贝尔判别法達朗貝爾判別法