高等数学讲义长期班(汪诚义)第八章138162
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心之所向,所向披靡
第八章 无穷级数(数学一和数学三)
引言:所谓无穷级数就是无穷多项相加,它与有限项相加有本质不同,历史上曾经对一个无穷级数问题引起争论。例如:
ΛΛ+-++-+-+1)1(1111n
历史上曾有三种不同看法,得出三种不同的“和” 第一种 0)11()11()11(=+-++-+-ΛΛ 第二种 1)11()11()11(1=-------ΛΛ 第三种 设S n =+-++-+-+ΛΛ1
)1(1111
则[]S =+-+--Λ11111
,1S S =- ,12=S 2
1=
S 这种争论说明对无穷多项相加,缺乏一种正确的认识。 1) 什么是无穷多项相加?如何考虑? 2) 无穷多项相加,是否一定有“和”?
3) 无穷多项相加,什么情形有结合律,什么情形有交换律等性质。因此对无穷级数的基本概
念和性质需要作详细的讨论。
§ 8.1 常数项级数
(甲) 内容要点 一、基本概念与性质 1. 基本概念
无穷多个数ΛΛ,,,,,321n u u u u 依次相加所得到的表达式ΛΛ+++++=∑∞
=n n n
u u u u u
3211
称
为数项级数(简称级数)。
∑===n
k k n u S 1
123n u u u u ++++L (Λ,3,2,1=n )称为级数的前n 项的部分和,
{}),3,2,1(Λ=n S n 称为部分和数列。
S u S ,,u S ,S n n n n n n ==∑∑∞
=∞
=∞
→1
1
)(lim 记以且其和为是收敛的则称级数存在若
n n S ∞
→lim 若不存在,则称级数∑∞
=1
n n u 是发散的,发散级数没有和的概念。
(注:在某些特殊含义下可以考虑发散级数的和,但在基础课和考研的考试大纲中不作这种要求。)
2. 基本性质 (1) 如果
∑∑∑∑∑∞=∞
=∞=∞
=∞=++1
1
1
1
1
)(,n n n n n n n n
n
n n
v b u a ,bv au
,b ,a v u 且等于收敛则为常数皆收敛和
(2) 在级数中增加或减少或变更有限项则级数的收敛性不变。
(3) 收敛级数具有结合律,也即对级数的项任意加括号所得到的新级数仍收敛,而且其和不
变。发散级数不具有结合律,引言中的级数可见是发散的,所以不同加括号后得到级数的情形就不同。 (4) 级数
∑∞
=1
n n u 收敛的必要条件是
0lim =∞
→n n u
(注:引言中提到的级数
∑∞
=+-1
1
,)
1(n n 具有∞→n lim ()不存在1
1+-n ,因此收敛级数的必要条件不满
足,
∑∞
=1
n ()
1
1+-n 发散。调和级数
∑
∞
=1
n n 1满足∞→n lim 但,01=n ∑∞
=1n n 1却是发散的,所以满足收敛级数的必要条件∞
→n lim 0=n u ,而
∑
∞
=1
n n u 收敛性尚不能确定。)
3.两类重要的级数
(1)等比级数(几何级数)
∑∞
=0
n n
ar ()0≠a
当1 ∑∞ =0 n n ar r a -= 1收敛 当1≥r 时, ∑∞ =0 n n ar 发散 (2)p 一级数 ∑∞ =1 1n p n 当p>1时,∑∞ =11n p n 收敛, 当p ≤1时∑∞ =11 n p n 发散 (注:p>1时,∑∞=11 n p n 的和一般不作要求,但后面用特殊的方法可知∑∞ =1n 6122 π=n ) 二、正项级数敛散性的判别法 ()Λ,3,2,10=≥n u n 若则∑∞ =1 n n u 称为正项级数,这时(){}n n n S n S S 所以Λ,3,2,11=≥+是单调增 加数列,它是否收敛就只取决于n S 是否有上界,因此 ∑ ∞ =1 n n n S u ⇔收敛有上界,这是正项级数 比较判别法的基础,从而也是正项级数其它判别法的基础。 1. 比较判别法 如果皆成立时当设,u ,cv N n c n n 0,0>≥≥>∑∞=1 n n v 收敛,则∑∞=1 n n u 收敛;如果∑∞ =1 n n u 发散, 则 ∑∞ =1 n n v 发散。 2. 比较判别法的极限形式 设),3,2,1(,0,0Λ=≥≥n v u n n 若∞ →n lim A v u n n = 1) 当0 ∑∞ =1n n u 与 ∑∞ =1 n n v 同时收敛或同时发散。 2) 当A=0时,若 ∑∞ =1 n n v 收敛,则 ∑∞ =1 n n u 收敛。