级数(英语:Series)代表某序列之和,例如序列a1,a2,a3,a4⋯的级数Sn可以表示成Sn=a1+⋯+an,如果被取和的序列是有穷序列,相对应的级数被称为有穷级数;反之,称为无穷级数。常见的级数包括等差数列和等比数列的级数。
无穷级数
定义
1+2+3+⋯+n=i=1∑ni无穷级数:1+2+3+⋯+n+⋯=n=1∑∞n
常数项级数
常数项级数的性质
收+收=收
收+发=发
发+发=不确定
若级数n=1∑∞un收敛,则它的一般项un→0,即n→∞limun=0(级数收敛的必要条件)
比如:对于n=1∑∞2n1=1,它的一般项n→∞lim2n1=0
但是,limn→∞n1=0,不能推得n=1∑∞n1收敛
不严格的推导
n=1∑∞n1=n→∞limi=1∑ni1=n→∞limi=1∑nnin1=n→∞limi=1∑nni1⋅n1=∫01x1dx=lnx01=ln1−x→0limlnx=∞
n=1∑∞sinn1n→∞limn1=0∴n=1∑∞sinn1=n=1∑∞n1n=1∑∞n1发散
若级数n=1∑∞un收敛,则它的一般项un→0,即n→∞limun=0(级数收敛的必要条件)。
反过来说,如果n→∞limun=0,n=1∑∞un发散。
总结:
- 若n→∞limun=0,则级数n=1∑∞un发散(正确)
- 若级数n=1∑∞un收敛,则n→∞limun=0。(正确)
- 若n→∞limun=0,级数n=1∑∞un不一定收敛。反例:n=1∑∞n1发散
- 若级数n=1∑∞un发散,极限n→∞limun=0不一定成立。反例:n=1∑∞n1发散
n=1∑∞un中去掉、加上或改变有限项,不会改变级数的敛散性.
比如:
n=5∑∞n2=2n=5∑∞n1根据上面的定理n=5∑∞n1相当于n=1∑∞n1去掉了前4项∴n=5∑∞n2发散
对于
收+收=收
收+发=发
发+发=不确定
即
若n=1∑∞un和n=1∑∞vn都收敛,n=1∑∞(un±vn)=n=1∑∞un±n=1∑∞vn必收敛;
若n=1∑∞un收敛,n=1∑∞vn发散,则n=1∑∞(un±vn)必发散;
若n=1∑∞un和n=1∑∞vn都发散,则无法判断n=1∑∞(un±vn)的敛散性。
n=1∑∞[(−1)n9n8n+nlnn1]=n=1∑∞(−98)n+n=1∑∞nlnn1n=1∑∞(−98)n收敛,n=1∑∞nlnn1发散∴n=1∑∞[(−1)n9n8n+nlnn1]发散
已知n=1∑∞(un−n+1n)收敛,求limn→∞un
n=1∑∞un收敛⇒n→∞limun=0∴n→∞lim(un−n+1n)=0n→∞limun−n→∞limn+1n=0n→∞limun=1
题目要求limn→∞un那么un极限肯定存在。
n→∞lim(un−n+1n)=0
这个极限也存在。
所以极限可以拆开算。
判别级数的敛散性
定义法
部分和:Sn=k=1∑nuk=u1+u2+u3+⋅⋅⋅+un
若n→∞limSn=S(极限存在),则称级数n=1∑∞是收敛的;若limn→∞Sn不存在,则称该级数发散。
1⋅21+2⋅31+⋯+n(n+1)1+⋯=n=1∑∞n(n+1)1
裂项相消
Sn=1⋅21+2⋅31+⋯+n(n+1)1=1−21+21−31+⋯+n1−n+11=1−n+11n→∞lim(1−n+11)=1∴n=1∑∞n(n+1)1收敛于1
等比级数
n=1∑∞2n=2+4+6+8+⋯+2n+⋯=n→∞lim(2+4+⋯+2n)=n→∞lim2n(2+2n)=∞∴n=1∑∞2n发散
等比级数
n=1∑∞2n1=21+41+81+⋯+2n1+⋯n→∞limn=1∑n2n1=n→∞lim1−2121(1−(21)n)=1
取通项极限法
n=1∑∞cosn1n→∞limcosn1=1=0∴发散
若级数n=1∑∞un,n=1∑∞vn收敛于S,σ则级数n=1∑∞(un±vn)也收敛为S±σ
n=1∑∞3n2+(−1)n−1=n=1∑∞(3n2+3n(−1)n−1)n=1∑∞3n2=32+92+272+⋯=1−3132=1n=1∑∞3n(−1)n−1=31−91+271−341=1−(−31)31=41∴n=1∑∞3n2+(−1)n−1=1+41=45
n=1∑∞nn=n=1∑∞nn1n→∞limun=n→∞limnn1=x→∞limxx1uv=evlnu=x→∞limex1lnx=x→∞limexlnx先算x→∞limxlnx=x→∞limx1=0∴x→∞limexlnx=1=0∴n=1∑∞nn发散
三个重要级数
p级数的敛散性
n=1∑∞np1,(p>0,且为数字){p>1,收敛p≤1,发散调和级数n=1∑∞n1发散,因为p=1
注意:p级数中的p,必须是常数(不能与n)有关
比如:n=1∑∞n1+n11不能看成p=1+n1>1
实际上
n1+n1=n⋅nn1结论:n→∞limnn1=1(可以取对数算)∴un=n1+n11∼n1⇒发散
特殊的p级数
n=1∑∞n⋅nn1与n=1∑∞n1进行比较n→∞limn1n⋅nn1=n→∞limn⋅nnnn→∞limnn1=n→∞limnn11=1∴n=1∑∞n⋅nn1与n=1∑∞n1同敛散∴n=1∑∞n⋅nn1发散
交错p级数
n=1∑∞np(−1)n⎩⎨⎧Absolute convergence,p>1Conditional convergence,0<p≤1Divergence,p≤0
等比级数的敛散性
n=0∑∞aqn=a+aq+aq2+⋯+aqn+⋯
其中a=0,讨论等比级数的敛散性。
| | | | 等比数列的通项公式 |
|---|
| a1 | a2 | a3 | … | an |
| a | aq | aq2 | | aqn−1 |
当∣q∣=1,
部分和
Sn=a+aq+aq2+⋯+aqn−1=1−qa(1−qn)
当∣q∣<1,
n→∞lim1−qa(1−qn),n→∞limqn=0∴n=0∑∞aqn=1−qa∴n=0∑∞aqn收敛
当∣q∣>1
n→∞lim1−qa(1−qn),n→∞limqn=∞∴n→∞lim1−qa(1−qn)=∞∴n=0∑∞aqn发散
当∣a∣=1,
a=1
Sn=a+a+⋯+a=nan→∞limna=∞∴n=0∑∞aqn发散
a=−1
Sn=a−a+a−a+⋯Sn={0,n为偶数a,n为奇数
综上,等比级数∣q∣<1,级数收敛;∣q∣≥1,级数发散
广义 p 级数
n=1∑∞nα(lnn)β1⎩⎨⎧当α>1时,收敛;当α<1时,发散;当α=1,{β>1时,收敛,β≤1时,发散.
n=1∑∞n2lnn1⇒α=2>1,收敛n=1∑∞nln2n1⇒α=21<1,发散n=1∑∞nln2n1⇒α=1,β=2>1,收敛
正项级数敛散性
n=1∑∞un(un≥0),通项非负的级数称为正项级数。
单调有界原理
(单调有界定理)单调有界数列必有极限.
(有界性)若n→∞limun 存在,则un必为有界数列.
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正项级数n=1∑∞un的部分和数列Sn是一个单调递增数列,即
S1≤S2≤S3≤⋯≤Sn≤⋯
如果Sn有界,根据单调有界数列必有极限的准则可知,limn→∞Sn=S(极限存在),改正项级数收敛;反之,如果该正项级数收敛,数列Sn有界。
正项级数n=1∑∞an收敛的充要条件是它的部分和数列有界。
比较判别法
比较判别法的极限形式
设n=1∑∞un,n=1∑∞vn(vn>0)是两个正项级数,且limn→∞vnun=A
- 若0<A<+∞,则n=1∑∞un与n=1∑∞vn敛散性相同;
- 若A=0,“大收则小收”,un是vn的高阶无穷小(上面比下面小),n=1∑∞vn收敛⇒n=1∑∞un收敛;
- 若A=+∞,“小发则大法”,un比vn低阶(上面比下面大),n=1∑∞vn发散⇒n=1∑∞un发散
第一种方法:

第二种方法“大收则小收”:

小发则大发:

比值判别法
n=1∑∞an含有n!或2n(增长的特别快),则可用比值判别法:
n→∞limanan+1=⎩⎨⎧<1,收敛=1,此法失效>1,发散
n=1∑∞2nnn→∞lim2nn2n+1n+1=n→∞lim2n+1n+1⋅n2n=n→∞lim21⋅nn+1=21n→∞limnn+1=21<1∴由比值判别法得n=1∑∞2nn收敛

裂项法
判别级数n=1∑∞n+1−n的敛散性
n=1∑∞n+1−n=2−1+3−2+4−3+5−4⋯+n+1−n=−1+n+1=∞
莱布尼兹判别法
对于交错级数
n=1∑∞(−1)n−1un(un>0)
若交错级数n=1∑∞(−1)n−1un满足:
- un≥un+1(从某项起),人话:单调递减
- limn→∞un=0
则n=1∑∞(−1)n−1un收敛,否则发散(只要一个条件不满足)
注:un是各项去掉正负号剩下的正数。(人话:只看正数)
n=1∑∞(−1)n⋅n2111,221,321⋯,递减(越来越小)n→∞limn21=0∴收敛
n=1∑∞(−1)n⋅n2+1n2n→∞limn2+1n2=1=0∴发散
n=1∑∞(−1)n−1⋅3n5n

例题(做题方法)
判断无穷级数敛散性,第一步直接取通项极限,如果limn→∞un=0,直接判断n=1∑∞un发散。
如果limn→∞un=0再进行下一步。
判断是否为交错级数(莱布尼兹判别)
有阶乘、指数函数、就用比值判别法。
最后,再考虑用比较判别法
教材例题:
用分数表示循环小数3.25˙08˙


条件收敛与绝对收敛
称n=1∑∞un,un为任意项(un可正可负、形式随意)为任意项级数。
处理方法:对un加绝对值(变为正项级数n=1∑∞∣un∣)
原来n=1∑∞un(小)→ n=1∑∞un(放大)
绝对收敛:若n=1∑∞∣un∣收敛,称n=1∑∞un绝对收敛(大收则小收)
条件收敛:若n=1∑∞∣un∣发散,但级数n=1∑∞un收敛,则称级数n=1∑∞un条件收敛。
n=1∑∞(−1)nn1⇒收敛n=1∑∞(−1)nn1⇒n=1∑∞∣(−1)nn1∣=n=1∑∞n1⇒发散∴n=1∑∞(−1)nn1条件收敛

无穷级数考连加

幂级数
无穷个幂函数相加
本质为函数
f(x)=n=1∑∞xn=x+x2+x3+…+xn+…(x∈R)
令x=21,0,1
f(21)f(0)f(1)=n=1∑∞(21)n=21+(21)2+(21)3+⋯+(21)n+…=1,收敛=n=1∑∞0n=0+02+03+…+0n+⋯=0,收敛=n=1∑∞1n=1+12+13+…+1n+⋯=∞,发散
幂级数运算
1:)2:)设幂级数n=0∑∞anxn 与n=0∑∞bnxn 分别在(−R1,R1),(−R2,R2) 内收敛,R1>0,R2>0.它们的和函数分别为 S1(x) 与S2(x),那么对于上述的幂级数可以进行如下运算:n=0∑∞anxn±n=0∑∞bnxn=n=0∑∞(an±bn)xn=S1(x)±S2(x)所得幂级数n=0∑∞(an±bn)xn 仍收敛,且收敛半径是R1 与R2 中较小的一个n=0∑∞anxn⋅n=1∑∞bnxn=S1(x)⋅S2(x)乘积所得幂级数仍收敛,且收敛半径是R1 与R2 中较小的一个
如果已知级数 n=0∑∞(an±bn)xn 在某区间内收敛,且已知 n=0∑∞anxn(或 n=0∑∞bnxn)在该区间内也收敛,那么另一个级数必然收敛,此时可以反拆:
∑n=0∞(an±bn)xn=∑n=0∞anxn±∑n=0∞bnxn
收敛域
所有使n=1∑∞xn收敛的x值的集合
由于xn为指数函数,用比值判别法
令∣n→∞limxnxn+1∣<1∣x∣<1即−1<x<1(收敛区间)但这可能一个收敛区间,漏了判别法=1的情况x=1时,n=1∑∞1n发散x=−1时,n=1∑∞(−1)n发散综上收敛域(−1,1)
对于不缺项级数n=0∑∞anxn有三种算法
- 比值判别法加强版un=anxn,Letn→∞lim∣unun+1∣<1
- 直接算an,Letn→∞lim∣anan+1∣=ρ,收敛半径R=ρ1,再根据收敛中心写收敛区间
- 根植判别
Let n→∞limn∣an∣=ρR=⎩⎨⎧ρ1,+∞,0,ρ=0,ρ=0,ρ=+∞.
对于缺项的级数:
- n=1∑∞anx2n或n=1∑∞anx2n+1是缺项的幂级数,此时R=ρ1
- n=1∑∞anx3n或n=1∑∞anx3n−1是缺项的幂级数,此时R=3ρ1
具体形幂级数收敛区间
对于n=1∑∞anxn,求收敛于
令∣n→∞limanxnan+1xn+1∣<1解出x⇒−a<x<a(收敛区间)收敛半径r=ax=a,x=−a分别代入n=1∑∞anxn依次判断敛散性

抽象形幂级数收敛区间
求和函数
先背公式
x=0∑∞xn=1−x1,x∈(−1,1)x=0∑∞(−1)nxn=1+x1,x∈(−1,1)x=1∑∞xn=1−xx,x∈(−1,1)x=0∑∞(−1)n(2n+1)!x2n+1=sinx,x∈(−∞,+∞)x=0∑∞(−1)n(2n)!x2n=cosx,x∈(−∞,+∞)n=0∑∞n!xn=ex,x∈(−∞,+∞)x=1∑∞(−1)n−1nxn=ln(1+x),x∈(0,1]
幂级数n的取值变化
Pay attention to the first term of the sequence; otherwise, the result will be incorrect.
n=1∑∞anxn=n=0∑∞an+1xn+1(n:1→0,replacenwithn+1)n=1∑∞anxn=n=2∑∞an−1xn−1
n=1∑∞anxn=n=0∑∞anxn−a0
写开来就可以证明