<高等数学>AM7 无穷级数

本文最后更新于:2023年10月27日 中午

AM7 无穷级数

若有数列 u1,u2,…,un,…u_1,u_2,\ldots,u_n,\ldots,则其总和 ∑n=1∞un{\sum\limits_{n=1}^\infin}u_n 称为 无穷级数,其中 unu_n 称为 一般项。其前 nn 项之和 Sn=u1+u2+…+unS_n=u_1+u_2+\ldots+u_n 称为 部分和。

若 lim⁡n→∞Sn=S\lim\limits_{n\rarr\infin}S_n=S(SS 为常数),则称之 收敛的。否则,称之为 发散的。

若无穷级数收敛,则 rn=S−Sn=un+1+un+2+…r_n=S-S_n=u_{n+1}+u_{n+2}+\ldots 称为 余项。

# 无穷级数的性质

  • 若 ∑n=1∞un{\sum\limits_{n=1}^\infin}u_n 收敛于 SS,则 ∑n=1∞kun{\sum\limits_{n=1}^\infin}ku_n 收敛于 kSkS
  • 若 ∑n=1∞un{\sum\limits_{n=1}^\infin}u_n 收敛于 SS,若 ∑n=1∞vn{\sum\limits_{n=1}^\infin}v_n 收敛于 σ\sigma,则 ∑n=1∞un±vn{\sum\limits_{n=1}^\infin}u_n\pm v_n 收敛于 S±σS\pm\sigma
  • 无穷级数去掉、加上或改变有限项,其敛散性不变
  • 收敛无穷级数中任意加括号,得到的新无穷级数仍收敛,且和不变
  • 收敛的必要条件:lim⁡n→∞un→0\lim\limits_{n\rarr \infin}u_n\rarr0

# 等比级数

对于 等比级数(几何级数)a+aq+aq2+aq3+…+aqn−1+…a+aq+aq^2+aq^3+\ldots+aq^{n-1}+\ldots

若 ∣q∣≠1\left|q\right|\not=1,则 Sn=a(1−qn)1−qS_n=\dfrac{a(1-q^n)}{1-q}

当 ∣q∣<1\left|q\right|<1 时收敛,lim⁡n→∞Sn=a1−q\lim\limits_{n\rarr\infin}S_n=\dfrac{a}{1-q}

当 ∣q∣≥1\left|q\right|\ge1 时发散,lim⁡n→∞Sn\lim\limits_{n\rarr\infin}S_n 为无穷或不存在

# 调和级数

对于 调和级数 1+12+13+…+1n+…1+\dfrac{1}2+\dfrac{1}3+\ldots+\dfrac{1}n+\ldots

由于 S2n=Sn=1n+1+1n+2+…+1n+n>12n+12n+…+12n=12↛0S_{2n}=S_n=\dfrac{1}{n+1}+\dfrac{1}{n+2}+\ldots+\dfrac{1}{n+n}>\dfrac{1}{2n}+\dfrac{1}{2n}+\ldots+\dfrac{1}{2n}=\dfrac{1}2\not\rarr 0

可见,调和级数是发散的。

AM7.1 正项级数

若对于任意 unu_n 有 un≥0u_n\ge0,则 ∑n=1∞un{\sum\limits_{n=1}^\infin}u_n 称为 正项级数。可见正项级数必有 S1≤S2≤S3…S_1\le S_2\le S_3\ldots,数列 {Sn}\{S_n\} 是非递减的

# P-级数

对于 p-级数 1+12p+13p+…+1np+…1+\dfrac{1}{2^p}+\dfrac{1}{3^p}+\ldots+\dfrac{1}{n^p}+\ldots

若 p≤1p\le1 则 p-级数 发散。可见,调和级数 是 p-级数 在 p=1p=1 时的特例。

若 p>1p>1 则 p-级数 收敛

# 正项级数定理

  • 正项级数 ∑n=1∞un{\sum\limits_{n=1}^\infin}u_n 收敛的 充要条件 是 {Sn}\{S_n\} 有界

  • 比较审敛法

    若有正项级数 ∑n=1∞un\color{Orange}{\sum\limits_{n=1}^\infin}u_n 以及 ∑n=1∞vn\color{cadetblue}{\sum\limits_{n=1}^\infin}v_n,且 un≤vn{\color{Orange}u_n}\le {\color{cadetblue}v_n}

    若 ∑n=1∞un\color{Orange}{\sum\limits_{n=1}^\infin}u_n 发散,则 ∑n=1∞vn\color{cadetblue}{\sum\limits_{n=1}^\infin}v_n 发散

    若 ∑n=1∞vn\color{cadetblue}{\sum\limits_{n=1}^\infin}v_n 收敛,则 ∑n=1∞un\color{Orange}{\sum\limits_{n=1}^\infin}u_n 收敛

    此外,记 lim⁡n→∞unvn=l\lim\limits_{n\rarr\infin}\dfrac{\color{Orange}u_n}{\color{cadetblue}v_n}=l

    若 0≤l<+∞0\le l<+\infin,且 ∑n=1∞vn\color{cadetblue}{\sum\limits_{n=1}^\infin}v_n 收敛,则 ∑n=1∞un\color{Orange}{\sum\limits_{n=1}^\infin}u_n 收敛

    若 l>0l>0 或 l=+∞l=+\infin,且 ∑n=1∞vn\color{cadetblue}{\sum\limits_{n=1}^\infin}v_n 发散,则 ∑n=1∞un\color{Orange}{\sum\limits_{n=1}^\infin}u_n 发散

  • 比值审敛法

    若有正项级数 ∑n=1∞un{\sum\limits_{n=1}^\infin}u_n,记 lim⁡n→∞un+1nn=ρ\lim\limits_{n\rarr\infin}\dfrac{u_{n+1}}{n_n}=\rho

    若 ρ<1\rho<1 则收敛。若 ρ>1\rho>1 则发散。ρ=1\rho=1 时本方法无法判断。

  • 根值审敛法(柯西判别法)

    若有正项级数 ∑n=1∞un{\sum\limits_{n=1}^\infin}u_n,记 lim⁡n→∞unn=ρ\lim\limits_{n\rarr\infin}\sqrt[n]{u_n}=\rho

    若 ρ<1\rho<1 则收敛。若 ρ>1\rho>1 则发散。ρ=1\rho=1 时本方法无法判断。

AM7.2 交错级数

若对于任意 unu_n 有 un≥0u_n\ge0,则 ∑n=1∞(−1)n−1un{\sum\limits_{n=1}^\infin}(-1)^{n-1}u_n 或 ∑n=1∞(−1)nun{\sum\limits_{n=1}^\infin}(-1)^{n}u_n 称为 交错级数。

# 交错级数定理

  • 莱布尼茨定理

    若交错级数 ∑n=1∞(−1)n−1un{\sum\limits_{n=1}^\infin}(-1)^{n-1}u_n 满足 un≥un+1u_n\ge u_{n+1} 且 lim⁡n→∞un=0\lim\limits_{n\rarr\infin}u_n=0,则该交错级数收敛。

    此时,Sn≤u1S_n\le u_1,且 ∣rn∣≤un+1\left|r_n\right|\le u_{n+1}

    证明过程

AM7.3 任意项级数

若 unu_n 的正负是任意的,则称 ∑n=1∞un{\sum\limits_{n=1}^\infin}u_n 为 任意项级数。

称 ∑n=1∞∣un∣{\sum\limits_{n=1}^\infin}\left|u_n\right| 为 绝对值级数。可见,绝对值级数是一个正项级数

任意项级数 ∑n=1∞un{\sum\limits_{n=1}^\infin}u_n 收敛时:

  • 若绝对值级数 ∑n=1∞∣un∣{\sum\limits_{n=1}^\infin}\left|u_n\right| 也收敛,则称任意项级数 ∑n=1∞un{\sum\limits_{n=1}^\infin}u_n 为 绝对收敛。
  • 若绝对值级数 ∑n=1∞∣un∣{\sum\limits_{n=1}^\infin}\left|u_n\right| 发散,则称任意项级数 ∑n=1∞un{\sum\limits_{n=1}^\infin}u_n 为 条件收敛。

# 任意项级数定理

  • 若绝对值级数 ∑n=1∞∣un∣{\sum\limits_{n=1}^\infin}\left|u_n\right| 收敛,则任意项级数 ∑n=1∞un{\sum\limits_{n=1}^\infin}u_n 必定收敛

    证明过程

  • 若有任意项级数 ∑n=1∞un{\sum\limits_{n=1}^\infin}u_n,记 lim⁡n→+∞∣un+1un∣=l\lim\limits_{n\rarr+\infin}\left|\dfrac{u_{n+1}}{u_n}\right|=l

    当 l<1l<1 时,任意项级数 ∑n=1∞un{\sum\limits_{n=1}^\infin}u_n 绝对收敛

    当 l>1l>1 或 l=+∞l=+\infin 时,任意项级数 ∑n=1∞un{\sum\limits_{n=1}^\infin}u_n 发散

AM7.4 幂级数

若 un(x)u_n(x) 是关于 xx 的函数,则 ∑n=1∞un(x){\sum\limits_{n=1}^\infin}u_n(x) 称为 函数项无穷级数,其中 xx 在区间 II 上。

其中,若 un(x)=anxnu_n(x)=a_nx^n,则称 ∑n=0∞anxn{\sum\limits_{\color{Orange}n=0}^\infin}a_nx^n 为 幂级数

若有 x0∈Ix_0\in I,且 ∑n=1∞un(x0){\sum\limits_{n=1}^\infin}u_n(x_0) 收敛,则称 x0x_0 为 收敛点。若 ∑n=1∞un(x0){\sum\limits_{n=1}^\infin}u_n(x_0) 发散,则称 x0x_0 为 发散点。收敛点的全集称为 收敛域,发散点的全集称为 发散域。

另外,称 S(x)=u1(x)+u2(x)+…+un(x)+…S(x)=u_1(x)+u_2(x)+\ldots+u_n(x)+\ldots 为 和函数,称 rn(x)=S(x)−Sn(x)r_n(x)=S(x)-S_n(x) 为 余项

若存在 rr,使得使得在 ∣x−a∣<r\left|x-a\right|<r 时幂级数收敛,在 ∣x−a∣>r\left|x-a\right|>r 时幂级数发散,则称 rr 为幂级数 ∑n=1∞un(x){\sum\limits_{n=1}^\infin}u_n(x) 的 收敛半径

# 幂函数定理

  • 阿贝尔定理

    对于幂函数 ∑n=0∞anxn{\sum\limits_{n=0}^\infin}a_nx^n

    若 x0x_0 为收敛点,则对于任意 ∣x∣<∣x0∣\left|x\right|<\left|x_0\right|,幂函数绝对收敛

    若 x0x_0 为发散点,则对于任意 ∣x∣>∣x0∣\left|x\right|>\left|x_0\right|,幂函数发散

  • 确定收敛区间

    对于幂函数 ∑n=0∞anxn{\sum\limits_{n=0}^\infin}a_nx^n,记 lim⁡n→+∞∣an+1an∣=ρ\lim\limits_{n\rarr+\infin}\left|\dfrac{a_{n+1}}{a_n}\right|=\rho

    若 ρ≠0\rho\not=0,则收敛半径 r=1ρr=\dfrac1\rho

    若 ρ=0\rho=0,则收敛半径 r=+∞r=+\infin

    若 ρ=∞\rho=\infin,则收敛半径 r=0r=0

# 幂函数性质

  • 对于幂函数 ∑n=0∞anxn{\sum\limits_{n=0}^\infin}a_nx^n,其和函数 S(x)S(x) 在收敛域 II 上是连续的

  • 对于幂函数 ∑n=0∞anxn{\sum\limits_{n=0}^\infin}a_nx^n,其和函数 S(x)S(x) 在收敛域 II 上是可积的

    有 ∫0xS(t) dt=∫0x∑n=0∞antn dt=∑n=0∞∫0xantn dt=∑n=0∞anxn+1n+1{\int\\}^x_0S(t)\ dt=\int^x_0{\sum\limits_{n=0}^\infin}a_nt^n\ dt={\sum\limits_{n=0}^\infin}\int^x_0a_nt^n\ dt={\sum\limits_{n=0}^\infin}\dfrac{a_nx^{n+1}}{n+1}

    新的幂函数的收敛半径与原幂函数相同。但收敛域的端点处需重新验证。

# 函数的幂级数展开

假设函数 f(x)=∑n=0∞an(x−x0)n=a0+a1(x−x0)+a2(x−x0)2+…+an(x−x0)n+…f(x)={\sum\limits_{n=0}^\infin}a_n(x-x_0)^n=a_0+a_1(x-x_0)+a_2(x-x_0)^2+\ldots+a_n(x-x_0)^n+\ldots

此时有 an=f(n)(x0)n!a_n=\dfrac{f^{(n)}(x_0)}{n!},则 f(x)=∑n=0∞f(n)(x0)n!(x−x0)nf(x)={\sum\limits_{n=0}^\infin}\dfrac{f^{(n)}(x_0)}{n!}(x-x_0)^n 为其 泰勒展开式。当且仅当 lim⁡n→∞Rn(x)=0\lim\limits_{n\rarr\infin}R_n(x)=0 时(即,余项趋于 0),该等式成立。

x0=0x_0=0 时,得到 马克劳林展开式:f(x)=∑n=0∞f(n)(0)n!xnf(x)={\sum\limits_{n=0}^\infin}\dfrac{f^{(n)}(0)}{n!}x^n

常见的函数及其展开式

函数 幂函数展开 取值范围
exe^x 1+x1!+x22!+x33!+…+xnn!+…1+\dfrac{x}{1!}+\dfrac{x^2}{2!}+\dfrac{x^3}{3!}+\ldots+\dfrac{x^n}{n!}+\ldots (−∞<x<+∞)(-\infin<x<+\infin)
axa^x 1+xln⁡a1!+(xln⁡a)22!+(xln⁡a)33!+…+(xln⁡a)nn!+…1+\dfrac{x\ln a}{1!}+\dfrac{(x\ln a)^2}{2!}+\dfrac{(x\ln a)^3}{3!}+\ldots+\dfrac{(x\ln a)^n}{n!}+\ldots (−∞<x<+∞)(-\infin<x<+\infin)
sinxsin x x1!−x33!+x55!−x77!+…+(−1)nx2n+1(2n+1)!+…\dfrac{x}{1!}-\dfrac{x^3}{3!}+\dfrac{x^5}{5!}-\dfrac{x^7}{7!}+\ldots+(-1)^n\dfrac{x^{2n+1}}{(2n+1)!}+\ldots (−∞<x<+∞)(-\infin<x<+\infin)
cos⁡x\cos x 1−x22!+x44!−x66!+…+(−1)nx2n(2n)!+…1-\dfrac{x^2}{2!}+\dfrac{x^4}{4!}-\dfrac{x^6}{6!}+\ldots+(-1)^n\dfrac{x^{2n}}{(2n)!}+\ldots (−∞<x<+∞)(-\infin<x<+\infin)
11−x\dfrac1{1-x} 1+x+x2+x3+…+xn+…1+x+x^2+x^3+\ldots+x^n+\ldots (−1<x<1)(-1<x<1)
11+x\dfrac1{1+x} 1−x+x2−x3+…+(−1)nxn+…1-x+x^2-x^3+\ldots+(-1)^nx^n+\ldots (−1<x<1)(-1<x<1)
11+x2\dfrac1{1+x^2} 1−x2+x4−x6+…+(−1)nx2n+…1-x^2+x^4-x^6+\ldots+(-1)^nx^{2n}+\ldots (−1<x<1)(-1<x<1)
arctan⁡x\arctan x x−x33+x55−x77+…+(−1)nx2n+12n+1+…x-\dfrac{x^3}3+\dfrac{x^5}5-\dfrac{x^7}7+\ldots+(-1)^n\dfrac{x^{2n+1}}{2n+1}+\ldots (−1≤x≤1)(-1\le x\le1)
ln⁡(1+x)\ln (1+x) x−x22+x33−x44+…+(−1)n−1xnnx-\dfrac{x^2}2+\dfrac{x^3}3-\dfrac{x^4}4+\ldots+(-1)^{n-1}\dfrac{x^n}n (−1<x≤1)(-1<x\le1)

<高等数学>AM7 无穷级数
https://i-melody.github.io/2023/10/25/高等数学/7 无穷级数/
作者
Melody
发布于
2023年10月25日
许可协议