Section01_常数项级数
定义
- {an} 为常数项数列,n=1∑∞an 成为常数项级数
- Sn=a1+a2+⋯+an 称为部分和
Notes
- Sn 与 n=1∑∞an 不同
- n→∞limSn 与 n=1∑∞an 相同
收敛与发散
- 若 n→∞limSn=S,则称 n=1∑∞an 收敛于 S
- 若 n→∞limSn ∄,则称 n=1∑∞an 发散
例1 n=1∑∞n(n+1)1
∵∴∴∴n(n+1)1=n1−n+11Sn=1×21+2×31+⋯+n(n+1)1=1−21+21−31+⋯+n1−n+11=1−n+11n→∞limSn=1n=1∑∞n(n+1)1=1
性质
- n=1∑∞an=A,n=1∑∞bn=B,则 n=1∑∞(an±bn)=A±B
n=1∑∞an=S,则 n=1∑∞kan=kS
Notes
- 若k=0,则n=1∑∞kan 和 n=1∑∞an 的敛散性相同
级数加减,改变有限项,敛散性不变
- 如 n=1∑∞2n1=21+221+⋯=1
- Case 1: 2+1+21+221+⋯=3+1=4
- Case 2: 221+231+⋯=1−21=21
- Case 3: 2+221+231+⋯=2−21+1=25
- 级数内添括号,提升收敛性
- n=1∑∞an 收敛 => 添加括号后收敛
- 添加括号后发散 => n=1∑∞an 发散
- 例题 设 n=1∑∞an 收敛,n=1∑∞(a2n−1+a2n) 的敛散性如何?
∵∴n=1∑∞(a2n−1+a2n)=(a1+a2)+(a3+a4)+⋯n=1∑∞(a2n−1+a2n)收敛
- (必要条件) 若 n=1∑∞an 收敛 ⇍⇒ n→∞liman=0
Proof
⇒
∵∴∴Sn=a1+a2+⋯+ann=1∑∞an收敛n→∞limSn ∃, 令n→∞lim=S而an=Sn−Sn−1n→∞liman=n→∞limSn−n→∞limSn−1=S−S=0
⇍: 反例 n=1∑∞n1
Notes 若 n=1∑∞an 收敛 ⇒⎩⎨⎧n→∞limSn ∃n→∞liman=0
两个重要级数
P-级数
n=1∑∞np1⎩⎨⎧收敛发散发散p>1p<1p=1
- 其中 p=1 时,n=1∑∞n1 被称为调和级数,发散
几何级数
n=1∑∞a⋅qn(a=0)
- 若 ∣q∣≥1,则 n=1∑∞a⋅qn 发散
- 若 ∣q∣<1,则 n=1∑∞a⋅qn=1−q首项
Proof
∴∵∴an=aqnSn=aq+aq2+⋯+aqnqSn=aq2+aq3+⋯+aqn+1(1−q)Sn=aq−aqn+1Sn=1−qaq−aqn+1q<1n→∞limSn=1−qaq=n=1∑∞a⋅qn
第一类-正项级数
定义
- n=1∑∞an(an≥0) 为正项级数
Notes
- S1≤S2≤S3≤⋯,即 {Sn} 单调递增
- ⎩⎨⎧{Sn}无上界Sn≤M⇒⇒n→∞limSn=+∞, 即发散n→∞limSn ∃, 即收敛
判别法
法一: 比较法
Th1 an≥0,bn≥0
- an≤bn 且 n=1∑∞bn 收敛 ⇒ n=1∑∞an 收敛
- an≥bn 且 n=1∑∞bn 发散 ⇒ n=1∑∞an 发散
- n=1∑∞sin2nπ
∵∴∵∴sinx≤x0≤sin2nπ≤2nπn=1∑∞2nπ收敛n=1∑∞sin2nπ收敛
- n=1∑∞∫0n41+x4⋅dx1
∵∴∵∴∫0n41+x4⋅dx>∫0nx⋅dx=21n2≥00≤∫0n41+x4⋅dx1<21n21n=1∑∞n22收敛n=1∑∞∫0n41+x4⋅dx1收敛
- an≤bn≤cn,n=1∑∞an,n=1∑∞cn 收敛,证 n=1∑∞bn 收敛
∵∴∵∴∴∵∴an≤bn≤cn0≤bn−an≤cn−an∑n=1∞an,∑n=1∞cn收敛∑n=1∞(cn−an)收敛∑n=1∞(b1−cn)收敛∑n=1∞cn收敛∑n=1∞bn收敛
Th1' an>0,bn>0
- 若 n→∞limanbn=ℓ(0<ℓ<+∞)⇒n=1∑∞an,n=1∑∞bn敛散性相同
- n=1∑∞[n1−ln(1+n1)] 的敛散性
∵∴∵∴∴∵∴x>0时,x>ln(1+x)0<n1−ln(1+n1)x→0limx2x−ln(1+x)=x→0lim2x1−1+x1=21n→∞limn21n1−ln(1+n1)=21∑n=1∞[n1−ln(1+n1)]∼∑n=1∞n21∑n=1∞n21收敛∑n=1∞[n1−ln(1+n1)]收敛
法二: 比值法
Th 2 an>0,n→∞limanan+1=ρ
n→∞limanan+1=ρ⎩⎨⎧收敛发散?ρ<1ρ>1ρ=1
Notes 适合an中含有阶乘的情形
- n=1∑∞nn2n⋅n!
∵∴n→∞limanan+1=n→∞lim(n+1)n+12n+1(n+1)!⋅2n⋅n!nn=n→∞lim2(n+1n)n=2n→∞lim(1+n1)n1=e2<1∑n=1∞nn2n⋅n!收敛
法三: 根值法
Th 3 an>0
n→∞limnan=ρ⎩⎨⎧收敛发散?ρ<1ρ>1ρ=1
- n=1∑∞(2n+1n)n
∵∴n→∞limnan=n→∞lim2n+1n=21<1∑n=1∞(2n+1n)n收敛
第二类-交错级数
定义
n=1∑∞(−1)n−1an=a1−a2+a3−a4+⋯ORn=1∑∞(−1)nan=−a1+a2−a3+a4−⋯(an>0)
判别法
Th 对于n=1∑∞(−1)n−1an(an>0),若
- {an} 单调递减
- n→∞liman=0
则n=1∑∞(−1)n−1an 收敛
Notes
n=1∑∞an 收敛 ⇏ n=1∑∞an2 收敛
反例 n=1∑∞n(−1)n
n=1∑∞an(an≥0) 收敛 ⇒ n=1∑∞an2 收敛
Proof
⇒∵∴取 ϵ=1>0,∃ N>0,当n>N时,∣an−0∣<10≤an2≤an<1∑n=1∞an收敛∑n=1∞an2收敛
- n=1∑∞sinn2+1π
∵∴∵∴sinn2+1π=sin[nπ+(n2+1−n)π]=(−1)nsinn2+1+nπsinn2+1+nπ>0∑n=1∞sinn2+1π为交错级数sin1+n2+nπ单调递减且n→∞limsin1+n2+nπ=0∑n=1∞sinn2+1π收敛
任意级数-条件收敛与绝对收敛
定义
- 若 n=1∑∞an 收敛,但 n=1∑∞∣an∣ 发散,称 n=1∑∞an 条件收敛
- 若 n=1∑∞an 收敛,且 n=1∑∞∣an∣ 收敛,称 n=1∑∞an 绝对收敛
关系
Th
- n=1∑∞an 绝对收敛 ⇍⇒ n=1∑∞an 收敛
- n=1∑∞sinn2+1π 是绝对收敛还是条件收敛?
∵∴∵∵∴sinn2+1π=(−1)nsinn2+1+nπ∑n=1∞sinn2+1π为交错级数n→∞limsinn2+1+nπ=0且sinn2+1+nπ单调递减∑n=1∞sinn2+1π收敛∣an∣=sinn2+1+nπ≤n2+1+nπ≤2nπ∑n=1∞2nπ发散∑n=1∞∣an∣发散∑n=1∞sinn2+1+nπ条件收敛