第十五讲(无穷级数)ppt
无穷级数的概念与性质(课堂PPT)
无穷级数
14
收敛的必要条件
级数
un
n 1
收敛
lim
n
un
0.
证明 设
un s
n1
则
un sn sn1 ,
lim
n
un
lim
n
sn
lim
n
sn1
s
s
0.
逆否命题成立:
lim
n
un
0
级数 un 发散 n 1
无穷级数
15
例:判断级数(1)n n 的敛散性。 2n 1
解:lim (1)n n
12 23 34
n n1
1 1 n 1
lim
n
S
n
1 lim (1 )
n n 1
1
(无穷小与无穷大的互逆 关系)
上级数收敛
无穷级数
8
例:判断级数ln 2 ln 3 ln 4 ... ln n 1 ...是否收敛
123
n
解:上述数列的通项可用公式ln A ln A ln B化简 B
n 1 an ln n ln(n 1) ln n
解:部分和 Sn
n(n 1) 2
(等差数列求和公式 )
lim
n
Sn
lim n2 n n 2
上级数发散
无穷级数
7
例:判断级数 1 1 1 ... 1 ...是否收敛
1 2 23 3 4
n (n 1)
解:上述数列的通项有规律可循
an
1 n(n 1)
1 n
1 n 1
部分和Sn
(1 1) (1 1) (1 1) ... (1 1 )
若级数 un 的每一项 un 均为常数 , n1
第十五讲(无穷级数)ppt
x a 代入展开式
上的正弦或余弦级数 .
二 . 实例分析
例 1. 判断下列级数的敛散性, 若收敛求其和:Biblioteka 解 : (1) 令则
( P375 例 1 )
e n1 (n 1) ! n 1 (n 1) un 1 n e n! un nn
故
1 ( n 1, 2 , )
21?2???nnnn??n??n222112nnp393例6n??xn?n???021?xsnn??xnn??21??2x2???n?nxx??22???n?nxx??122?n?xx2212xx?1?221?1?02???????snnnn的收敛域为2设1?122???n??xnxxsn??????2112nnnxx??n????21121nnxx0?x????12nnnxx??n??321nnxx??n???1212nnxxx2212xxx??21?122???n??xnxxsn??n????1212nnxxxxs???1n?nnx???10n?2?1xnxdx??xdxx??0nn????11??01?xxxd1lnx??1421ln21???????xxxxxxs故????22211nnn例17
上展成付氏级数
ba 将z x 代入展开式 2
在 上的付氏级数 .
方法 2.
令x
z a , 即 z xa
F ( z ) f ( x ) f ( z a ) , z 0 , b a
奇或偶式周期延拓
F ( z ) 在 0 , b a 上展成正弦或余弦级数
2) 利用拆项相消法 ( 也叫裂项法 ) 求和 .
n
例如
•
1 k 1 ( 2k 1)( 2k 1) 1 1 1 n 1 1 ] [ ] [1 2 2n 1 2 k 1 2k 1 2k 1
高数无穷级数复习(课堂PPT)
2 !
n !
x(1,1)
23
二、例题 n1
例1
判
断
级:数 (1)敛
散 n n
性 ;
解
1
1
nn nn
nn
un (n 1 )n
(1
1
, )n
n1(n1)n n
n
n2
ln i (1 m n 1 2)nln i [m 1 (n 1 2)n 2]n 1e0 1;
1
又 lim nn 1 n
ln im un10,
3 ! 5 !
(2 n 1 )!
x( , )
co x s 11x 21x 4 ( 1 )n x 2n
2 ! 4 !
(2 n )!
x(, )
22
ln1(x)x1x 21x 3 ( 1 )n 1x n
23
n
x(1,1]
(1x )
1 x ( 1 )x 2 ( 1 ) (n 1 )x n
任意项级数
1. 若SnS,则级数;收敛 2. 当 n,un0,则级数 ; 发散 3.按基本性质;
4.绝对收敛
4.充要条件 5.比较法 6.比值法 7.根值法
4.绝对收敛 5.交错级数 (莱布尼茨定理)
4
2、幂级数
(1) 收敛性
定理1 (Abel定理)
如 果 级 数 anxn在 xx0(x00)处 收 敛 ,则
a.代数运算性质:
设anxn和bnxn的收敛半 R1和 R 径 2, 各
n0
n0
R m R 1 ,iR 2 n
加减法
anxn bnxn cn xn .
n0
n0
n0
x R ,R
高等数学-无穷级数ppt
根据级数项的性质,无穷级数可分为正项级数、交错级数和任意 项级数。
收敛与发散性质பைடு நூலகம்
收敛性质
如果无穷级数的部分和数列有极限, 则称该无穷级数收敛,此时极限值称 为级数的和。
发散性质
如果无穷级数的部分和数列没有极限 ,或者极限为无穷大,则称该无穷级 数发散。
绝对收敛与条件收敛
绝对收敛
如果无穷级数的每一项的绝对值所构 成的级数收敛,则称原级数为绝对收 敛。
在量子力学中,波函数通常表示为无穷级数形式,用于 描述微观粒子的状态和行为。
电磁学中的场强计算
通过无穷级数的展开,可以计算电磁场中各点的场强分 布,进而分析电磁现象。
在工程学中的应用,如信号处理、控制系统设计等
信号处理中的滤波
在信号处理领域,利用无穷级数设计的滤波器可以对 信号进行平滑处理、降噪等操作。
要点二
洛朗级数展开
将函数f(z)在圆环域D内展开成双边幂级数形式,即f(z) = ... + a-2/z^2 + a-1/z + a0 + a1z + a2z^2 + ...,其中an是 洛朗系数,可通过计算f(z)在D内的各阶导数求得。
泰勒级数与洛朗级数的比较
适用范围不同
泰勒级数适用于在一点处展开 的情况,而洛朗级数适用于在 圆环域内展开的情况。
控制系统设计中的稳定性分析
在控制系统设计中,通过无穷级数的稳定性分析方法 ,可以判断控制系统的稳定性并进行相应的优化设计 。
THANK YOU
感谢聆听
幂级数展开
幂级数是指形如$sum_{n=0}^{infty} a_n x^n$的级数,其 中$a_n$为常数。幂级数在收敛域内可以逐项求导和逐项积 分,具有连续性和可微性。
高等数学-无穷级数课件
lim
n
Sn
lim na
n
所以级数
aq
n 1
发散.
n 1
当
q
1时, aqn1
1n1,a 其前n项和
n 1
n 1
a,当n为奇数时 Sn 0,当n为偶数时
显然,当n→∞时,Sn没有极限.所以,级数
aq
n发1 散.
n 1
综上所述,等比级数
aq
n
,1 当
q
1 时收敛,
当
q 1
n 1
时发散.结论记住
注意 几何级数
aq n1
的敛散性非常重要.无论是用比
n 1
较判别法判别级数的敛散性,还是用间接法将函
数展开为幂级数,都经常以几何级数敛散性为基础.
.
2.数项级数的基本性质
性质1
如果级数
u
n
收敛,其和为s,
k为常数,则级数
n 1
ku
n
也收敛,其和为ks;如果级数
un
发散,当k≠0时,
n 1
n 1
级数 kun也发散.
不趋于零,则该级数必定发散.应当看到,性质5只
是级数收敛的必要条件,并不是级数收敛的充分条
件,也就是说,即使
lim
n
un
0 ,也不能由此判定级
数
un
n 1
收敛.下面的例正说明了这一点:lim 1
n n
0
,
但级数
1
发散.
n n 1
例7
证明调和级数
1
是发散级数.
n n1
证
调和级数部分和
Snn1如图,源自u收敛.n
n 1
无穷级数
第5章无穷级数无穷级数是研究函数的一个重要的工具,在许多抽象理论和应用学科中,都处于重要的地位. 无穷级数就其实质而言,是极限理论的深入,它包括常数项级数和函数项级数两部分. 利用级数不仅可表示初等函数,也可以表示很多有用的非初等函数,进而用级数来研究这些函数,例如可用幂级数来研究复杂函数的性质;还可以加深对中小学数学理论的理解,例如关于循环小数的理论,中学数学用表的制作等. 本章先讨论常数项级数,而后在函数项级数中重点介绍幂级数和三角级数.5.1常数项级数的概念和性质5.1.1 常数项级数的概念定义5.1设为无穷数列,对它的各项依次用“+”号连接起来的表达式,(5.4)称为常数项级数或无穷级数,简称为级数,其中称为常数项级数的通项或一般项. 此级数也常写作记称为级数的部分和,部分和构成的数列记为定义5.2若级数的部分和数列有极限,即,则称级数收敛,为其和,此时,如果不存在,则称级数发散.由于级数收敛等价于其部分和数列收敛,因此,级数收敛和数列收敛有着极为密切的关系:级数与数列同时收敛或同时发散. 如果级数收敛于,则部分和,它们之间的差称为级数的余项. 显然有,而是用近似代替所产生的误差.例1判断级数的收敛性.解,,所以,,即级数收敛,其和为1.例2证明发散.证此数项级数的部分和数列为显然这个部分和数列发散,因此由级数收敛的定义知,此数项级数发散.例3讨论等比级数(或称几何级数)(5.5)的收敛性,其中.解当时, 级数的部分和为.当时, 由于,故数列有极限,即级数(5.5)收敛,其和为.当> 1时, 由于, 故,即数列没有极限, 所以级数(5.5)发散.当时, ,数列没有极限, 所以级数(5.5)发散.当时, 级数为,由例2知,此级数发散,即级数(5.5)发散.由上面的讨论可知,等比级数当<1时收敛;当1时发散.例如级数是公比的等比级数,<1,故该级数收敛,且其和为=2 .而级数是公比的等比级数,,则级数发散.例4证明调和级数发散.证所以,调和级数发散.5.1.2 级数收敛的基本性质性质1 如果级数收敛于,则级数收敛于,其中是常数. 也就是说,当级数收敛时, 有= k.证设级数的部分和为,级数的部分和为,则,,这就说明级数收敛,且和为.由极限的性质知道,当0时,极限与必同时存在或同时不存在,故级数与级数具有相同的收敛性.性质2如果级数与级数均收敛,其和分别是与,则级数也收敛,且其和为,即== s.证设级数和级数的部分和分别是和,则级数部分和为于是所以,收敛。
无穷级数课件
1 n 0 n!
收敛.
un 和 v n
n 1 n 1
是两个正项级数,
(1)若级数 vn 收敛,则级数
n 1
u n 也收敛;
n 1
(2)若级数
u n 发散,则级数
n 1
v n 也发散.
n 1
P 级数 1( P 0 )的敛散性 例2 讨论 p n 1 n 1 1 ,因为 1 发散,所以由比较判别法知, 解 当 P 1时,n p n n 1 n
数 u n 收敛.下面的例9正说明了这一点: 0 , lim n n
n 1
1
但级数 1 n 1
n
发散.
例7 证
证明调和级数 1 是发散级数. n 1
n
ห้องสมุดไป่ตู้
调和级数部分和 S n 1 如图,
n k 1
k
考察曲线
1 y , x 1, x n 1和y 0 x
A Ak 1
k 1 n n 1
1 dx ln x |1 n ln n 1 1 x
而
lim ln1 n
n
,表明A的极限不存在,所以该级
数发散.
二、正项级数及其敛散性
如果 u n ≥0(n=1,2,3…),则称级数
u n 为正项级数
n 1
1 n 1 1收敛. n 1 n 1 2 nn 1
注意 性质6可以用来判定级数发散:如果级数一般项
不趋于零,则该级数必定发散.应当看到,性质6只
是级数收敛的必要条件,并不是级数收敛的充分条
级数教学ppt课件
1000 1 1
10000 11111 ,
9
9
10
25
例2
讨论无穷级数
1 1 3
1 35
(2n
1 1) (2n
1)
的收敛性.
解
un
1 (2n 1)(2n
1)
1 2
(1 2n 1
1) 2n 1
,
Sn
1 1 3
1 35
1 (2n 1) (2n 1)
1 (1 1) 1 (1 1) 1 ( 1 1 )
n1
n1
n1
注意:不能去括号 20
例4 已知 (1)n1 un 2 , u2n1 5 , 求 un .
n1
n1
n1
解 (u2n1 u2n ) 8 , 记 S n u 1 u 2 u n , n1
所以
lim
n
S2n
8
,
由性质2,
lim
n
lim
n
S S
2n
2n1
S
S
lim
n
Sn
S
,则称无穷级数
un 收敛,
n1
这时极限 S 叫做级数 un 的和,并写成
n1
un S
n1
如果数列{Sn } 没有极限,则称无穷级数 un 发散.
n1
3
例1 讨论等比级数(几何级数)
aqn a aq aq2 aqn (a 0)
n0
的收敛性.
解 如 果 q 1,
Sn
a
aq
aq2
aq n1
a aqn 1q
,
当q 1时,
lim qn 0
n
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0
tan x d x un
n
练 习
设 un 4 tan n x d x 0
1 (1) 求 (un un 2 ) 的值 ; n1 n un (2) 试证级数 ( 0) 收敛 . ( 1999 考研 ) n 1 n 1 提示 : (1) 利用 un un 2 n 1 1 un 1 1 1 (2) 利用 un , n (n 1) n n 1 n
展开
an x
n
积分或求导
n
* n an x
(2) 函数的付氏级数展开法 ( P397, 2 ) 主要注意以下三方面的问题: 1) 付氏级数展开的基本公式 ( P 397 ) 说明: 展开式只对连续点成立 . 2) 求付氏系数的技巧: 利用周期性和奇偶性 简化计算. 若 f (x) 以 T 为周期 , 则有
k 1
(1 2 ) ( n 2 n 1 ) 1 1 2 n 2 n 1
(2) 利用正项级数判敛法 (参考 P373 表6-1 ) 必要条件 满足
比值审敛法
不满足 发 散
1
比较审敛法
根值审敛法
不定 积分判别法 用它法判别 部分和极限
说明 (P374 说明) :
n
a
n 0
n
x
逐项求导或求积分
n
* n an x
难
求和 对和式积分或求导
S ( x)
S ( x)
*
端 点 收 敛 性 可 能 变
在 收 敛 区 间 内 进 行
3) 转化为方程求解
导出和函数满足的方程
4) 数项级数求和
直接求和: 直接变形 , 求部分和等 间接求和: 转化成幂级数求和, 再代值
2n 1 2
n
.
n 1
Sn
1S 2 n
1 1 2n 1 1 n1 n 1 2 2 2
Sn 3
1 2
n2
2n 1 n , 故 lim S n 3 , n 2
这说明原级数收敛 , 其和为 3 .
例 2. 判别
的敛散性, 若收敛, 求其和.
进行拆项相消
1 1 1 2 1 2 (n 1)( n 2) 1 1 lim S n , 这说明原级数收敛 , 其和为 . n 4 4
2n 1 1 3 5 Sn 2 3 n (3) n . 2 2 2 2 2 n 1 5 2n 1 1 3 1 Sn 2 Sn 2 3 n 2 2 2 2 3 5 2n 1 1 2 3 4 n 1 2 2 2 2
当
( n 1)
(
在
与
之间 )
难点: ① 求
时 , “~” 改为 “ = ” 号. ② 证明
说明 : 求 f (x) 的幂级数与把 f (x) 展开成幂级数不是 一回事. 前者不考虑收敛问题 , 用记号“~” 表 后者 示, 必须级数收敛于 f (x) , 用 “ = ” 号表示 . 例如,
( n 1, 2 , ) 0 2 0 n f ( x) ~ 0 0 x x x 2! n!
n lim 2 n (ln n )
利用比较判别法知原级数发散 .
(2)
1 n)
2
n2 ( ln
;
法2. 由于
1 相应函数 f ( x) 在 x ln x 1 考查弱级数 n ln n n2
非负单调递减 ,
1 由P373积分判别法, 发散 n 2 n ln n
1
收 敛
1
发 散
比值法使用方便 , 根值法应用广些 .
(3) 任意项级数判敛法 ( P374 , 5 ) 绝对收敛 : 级数 收敛 收敛
( 可用正项级数 判敛法判别 )
条件收敛 : 交错级数
若 说明 : 证明 证
发散
敛散性判别法 : 且 则级数收敛 . 莱布尼兹判别法
的方法: ( P375 ) 证
3) 奇偶延拓及周期延拓的方法
例如 , 定义在任意有限区间上的函数付氏展开方法
方法 1.
ba ba , 即 z x 令x z 2 2 ba ba ba F ( z ) f ( x) f ( z ), z , 2 2 2
周期延拓
ba ba F ( z) 在 , 2 2
上展成付氏级数
ba 将z x 代入展开式 2
在 上的付氏级数 .
方法 2.
令x
z a , 即 z xa
F ( z ) f ( x ) f ( z a ) , z 0 , b a
奇或偶式周期延拓
F ( z ) 在 0 , b a 上展成正弦或余弦级数
2) 对非标准形式 (缺项或通项为复合式)的幂级数
求收敛域有两种方法 :
但收敛域必须 通过代换 转化成标准形式讨论 回到原变量
将 x 看作参数 , 利用数项级数判敛法解不等式
(2) 幂级数的和函数的求法 ( P.385 , 2 ) 1) 初等变形 分解套用已知公式 ; 求部分和等
2) 分析变形 变换求和与求导或求积分的顺序
2n 1
2n 1 1 1 1 1 1 2 3 n 1 n 1 2 2 2 2 2 2 1 n 1 1 1 2n 1 1 1 2n 1 1 2 n 1 1 n1 n 1 2 2 2 2 1 1 2 2 2
(3)
因此原级数仅为条件收敛 .
例 6. 试证明交错级数 分析 : 此级数虽然为交错级数 , 但
条件收敛 . (P380 例 4)
u2 n
不满足
1 , u2 n 1 2 n 1
1 , 2n
u2 n1 u2 n
故无法应用莱布尼兹法则 . 但是莱布尼兹法则是判敛的充分条件,而非必要条件,
因此必须另找其它方法 .
n 1
tan x d x
n
(P377 例 2)
解 : (1) 由于
利用比值判敛法可知强级数
2n
n
n 1
收敛 ,
于是根据比较判敛法知原级数收敛 .
(2)
1
2 ( ln n ) n2
;
法1. 考查
因为
x lim f (x ) lim 2 x x ln x x x lim lim x 2ln x x 2
1 lim S 而 ) 2 n 1 lim ( S 2 n u2 n 1 ) lim ( S 2 n n
n
S
n
n
2n
例 6. 试证明交错级数
3. 函数的幂级数及付式级数展开法 (P395 - P408 ) (1) 函数的幂级数展开法 ( P295 , 1 )
1) 直接展开法 适用于: 在点 利用泰勒公式 的某邻域函数的高阶导数有界,
且在
的高阶导数表达式有规律可寻 ( 时 为麦克 劳林级数 )
~
( ) n 1 Rn ( x) ( x x0 ) (n 1) ! f
解:
ln( n 1) ln( n 1) 2 ln n
利用 “拆项相消”
ln( 1 1 ) ln 2
n
, 故原级数收敛 , 其和为
例 3. 判断下列级数的敛散性 2 n
(1)
n cos 2
4
n 1
n
2
;
(2)
n2
( ln n)2 ;
1
(3)
0
从而
这说明级数
发散 .
1 (2) 3 2 n 3 n 2n n 1 1 1 因 n3 3n 2 2n n(n 1)( n 2) 1 1 1 ( n 1, 2 , ) 2 n(n 1) (n 1)( n 2) n n 1 1 1 1 Sn 3 2 2 k 1 k (k 1) (k 1)( k 2) k 1 k 3k 2k
将z 在
x a 代入展开式
上的正弦或余弦级数 .
二 . 实例分析
例 1. 判断下列级数的敛散性, 若收敛求其和:
解 : (1) 令
则
( P375 例 1 )
e n1 (n 1) ! n 1 (n 1) un 1 n e n! un nn
故
1 ( n 1, 2 , )
a (2) sin( n ) ln n n2
(a 0)
a a n ) (1) sin 因 sin( n ln n ln n
n 充分大 a 0 ln n 2
对充分大的 n , 原级数化为交错级数 , 又知
a a sin sin ln n ln (n 1) a lim sin 0 a ln n n sin ln n 1 lim 所以原级数收敛 , 但因 a n ln n
f
(Hale Waihona Puke )(0) 0这说明只有 x = 0 时 f (x) 才能展成幂级数 .
2) 间接展开法 转化为已知展式的函数 ( P396 ) 变量代换法 . 例如
分解法
例如分解
1 2 n ( x ) n! n 0
且 展式已知 .
*
利用微分和积分变形
f ( x)
难
求导或求积分
n
f ( x)
a (2) sin( n ) ln n n2
解 : (1) u n