Q. 54

Question

Let a : [1,) be a continuous, positive, and decreasing function. Complete the proof of the integral test (Theorem 7.28) by showing that if the improper integral 1a(x) dx converges, then the series k=1 a(k)does too.

Step-by-Step Solution

Verified
Answer

The sequence of partial sums sn = i=1 ai is bounded above by M.The terms are positive. Therefore, sn  sn + an+1sn  sn+1The sequence of partial sum is an increasing sequence and is bounded above by M.Therefore, the sequence {sn} is convergent.Hence, the series k=1 a(k) is convergent.


1Step 1. Given information is:

1a(x) dx converges and

a : [1,) is continuous, decreasing and positive function.

2Step 2. Evaluating integral

The integral 1a(x) dx is convergent. If the integral is convergent, then the integral 1a(x)dx must have a finite value.Therefore, 1a(x) dx = M

3Step 3. Solving for partial sum

It is given that the function a(x) is positive. Therefore, 1na(x)dx < 1a(x)dx  .....(1)Also, i=2 ai < 1na(x)dx  .....(2)From equations (1) and (2),i=2 ai < 1a(x)dx  .....(3)Also, i=1 ai = a1 + i=2 aiUsing equation (3),i=1 ai < 1a(x)dxi=1 ai <M

4Step 4. Result

The sequence of partial sums sn = i=1 ai is bounded above by M.The terms are positive. Therefore, sn  sn + an+1sn  sn+1The sequence of partial sum is an increasing sequence and is bounded above by M.Therefore, the sequence {sn} is convergent.Hence, the series k=1 a(k) is convergent.