常数项级数敛散性的判定法
112常数项级数的敛散性
uN m r m1uN 1,
而级数 r m1uN 1收敛,
m1
uNm uu收敛, 收敛
m1
n N 1
当 1时, 取 1, 使r 1,
当n N时, un1 run un ,
lim
n
un
0.
发散
比值审敛法的优点: 不必找参考级数.
两点注意:
1.当 1时比值审敛法失效;
敛还是条件收敛?
1、 (1)n1
n；
n1
3 n1
2、 1 1 1 1 ； ln 2 ln 3 ln 4 ln 5
3、
(1)n .
n2 n ln n
七、若
lim
n
n
2
un
存在,证明:级数
un 收敛 .
n1
b3n
八、证明:
lim
n
n!
a
n
0.
练习题答案
一、1、 p 1, p 1；
2、 1, 1(或 lim un1 ), 1.
u n n
二、1、发散；
2、发散.
三、1、发散；
2、收敛.
四、1、收敛；
2、收敛.
五、1、发散；
2、收敛；
a 1,收敛; 3、0 a 1,发散;
a 1,发散.
六、1、绝对收敛； 2、条件收敛； 3、条件收敛.
n1 10
(n ),
故级数
n! n1 10n
发散.
(3) lim un1 lim (2n 1) 2n 1, n un n (2n 1) (2n 2)
比值审敛法失效, 改用比较审敛法
(2n
1 1)
2n
1 n2
,
级数
7-2数项级数的审敛法
·复习 1 级数的概念。
2 级数的敛散性。
3 级数的性质。
·引入 正像数列一样，对于级数也有两个问题应当研究一是它是否收敛，二是如果收敛，它的和等于什么。
一般情况下要判断一个级数的敛散性，只利用级数收敛和发散的定义和性质，常常是很困难的，因此需要建立判定级数敛散性的判别法。
我们先来考察正项级数的敛散性。
·讲解新课7-2 常数项级数的审敛法（一）一 正项级数及其审敛法定义 如果级数∑∞=1n n u 的每一项都是非负数，即0n u ≥，(1,2)n = ，那么称级数∑∞=1n n u 为正项级数．如果级数∑∞=1n n u 是一个正项级数，那么它的部分和数列{}n S 是一个单调增加数列：12......n S S S ≤≤≤≤，如果数列{}n S 有界，即n S 总不大于某一个常数M ，根据单调有界数列必有极限的准则，正项级数∑∞=1n n u 必收敛于和S ，且n S S M ≤≤；反之，如果正项级数∑∞=1n n u 收敛于和S ，即lim n x S S →∞=，根据有极限的数列必是有界数列的性质可知：∑∞=1n n u 有界，因此可得如下结论：定理 正项级数∑∞=1n n u 收敛的充分必要条件是：它的部分和数列单调有界。
由此定理可知：如果正项级数∑∞=1n n u 发散，则当n →∞时，它的部分和数列n S →∞，即：1n n u ∞==+∞∑1 比较审敛法设有两个正项级数1n n u ∞=∑和1n n v ∞=∑，如果n u ≤n v ),3,2,1( =n 成立，那么（1）若级数1n n v ∞=∑收敛，则级数∑∞=1n n u 也收敛.（2）若级数1n n u ∞=∑发散，则级数1n n v ∞=∑也发散．用比较判别法时，需要适当地选取一个已知其收敛性的级数作为比较的基准，最常被选用作基准级数的是等比级数和p －级数。
定义 当0p >时 ，11111123L L ppppn nn∞==+++++∑.称为 p －级数特别地：当1p =时，p －级数是调和级数11n n∞=∑。
第十一章 第2节常数项级数审敛法
例 2 证明级数
∑
n =1
∞
1 ∴ 级数 ∑ n 收敛 n =1 n 2
∞
1 是发散的. 是发散的 n( n + 1)
1 1 , > 证明 ∵ n( n + 1) n + 1 ∞ ∞ ∞ 1 1 1 发散. 而级数 ∑ = ∑ 发散∴ 级数 ∑ , n( n + 1) n =1 n =1 n + 1 k =2 k
n=1
∞
(1) 当 ρ < 1 时 , 级数收敛 ; (2) 当 ρ > 1 时 , 级数发散 .
22
说明 :
ρ = 1时 , 级数可能收敛也可能发散 .
例如 p - 级数
∑np
n= 1
nu n
∞
1
1 un = p , n
但
1 = n →1 (n →∞) n
p
p >1 级数收敛 p ≤1 级数发散
∞
∴ un+1 < (ρ +ε ) un < (ρ + ε )2 un−1 < ⋯< (ρ + ε )n−N uN+1
k
∞ n=1 n
∑(ρ +ε ) 收敛 , 由比较审敛法可知, 级数 ∑u
收敛 . 17
un+1 lim =ρ n→∞ un
un+1 当 n ≥ N 时, >1 un ∴ un+1 > un > un−1 >⋯> uN
∑u
n=1
∞
n和
正项级数 ∑v 是两个正项级数 , u
n=1 n
∞
n
≤ k vn ( 常数 k > 0 )
高数第十单元无穷级数
第十单元 无穷级数10－1 常数项级数的概念与审敛法［教学基本要求］高等数学 1. 理解无穷级数收敛、发散以及收敛级数和的概念，了解无穷级数的基本性质及收敛的必要条件；２．了解正项级数的比较审敛法以及几何级数与p -级数的敛散性，掌握正项级数的比较审敛法；３．了解交错级数的莱布尼茨定理；4．了解绝对收敛与条件收敛的概念及二者的关系．微积分 1。
理解无穷级数收敛、发散以及收敛级数和的概念，了解无穷级数的基本性质及收敛的必要条件；２．了解正项级数的比较审敛法，掌握几何级数与p -级数的敛散性结果,掌握正项级数的比较审敛法；３．了解交错级数的莱布尼茨定理;4．了解绝对收敛与条件收敛的概念及二者的关系．[知识要点]一、常数项级数的敛散性判别法及其说明除开因lim n n u →∞≠0，而判定n n u ∞=1∑发散外，常用以下方法判别级数的收敛性.)，(2)limn≤，其且其和S u1几何级数(等比级数)n n aq ∞=1∑：当|q |<1时级数收敛；当|q |≥1时级数发散。
p -级数p n n ∞=11∑：当p >1时级数收敛，当p 0<≤1时级数发散。
级数ln pn n n∞=21∑,当p >1时级数收敛，当p 0<≤1时级数发散. 二、正项级数判敛的一般程序：nu∞=1∑ ρ=1 n u n n u ∞=1∑发散 n n u ∞=1∑发散,n n u ∞=1∑收敛三、任意项级数的判敛程序：收敛 n n u ∞=1∑条件收敛nn u∞=1∑发散nn u∞=1∑绝对收敛nn u∞=1∑发散［错误诊断］例1 判别下列级数的敛散性：(1）n ∞=1 （2）()nn n ∞=14+-12∑． （1）［错解］因为n =0，故该级数收敛．［错误分析］ lim n n u →∞=0是级数n n u ∞=1∑收敛的必要条件，不是充分条件．因此不能用一般项的极限为零判别级数收敛，但如果lim n n u →∞≠0,级数n n u ∞=1∑一定发散.[正确解法］因n n ==1,由n n ∞=11∑发散，知该级数发散． (2）[错解］因为()()()lim lim lim[()]n n n n n nn n n n nu u +1+1+1+1→∞→∞→∞4+-14+-14+-1==2224+-1不存在,所以该级数发散． ［错误分析]正项级数的比值判别法只是正项级数收敛的充分条件，不是必要条件．也就是说，正项级数n n u ∞=1∑收敛，并不一定有limn n nu u ρ+1→∞=<1．［正确解法］因为该级数是正项级数，且当n ≥1时，()n n n n u 4+-15=≤22．由于等比级数nn ∞=152∑收敛，由比较判别法知所给级数收敛．例２ 若n n u ∞=1∑与n n v ∞=1∑皆收敛，且对于一切自然数n 有n n n u c v ≤≤，证明n n c ∞=1∑也收敛．[错误证明］由于n n c v ≤，且n n v ∞=1∑收敛，故由比较判别法可知n n c ∞=1∑收敛．［错误分析]上述证明的依据是级数的比较判别法，但是这个判别法只适用于正项级数．而题中并没有指明n n u ∞=1∑与n n v ∞=1∑为正项级数，因此上述证明方法不正确．［正确证法]由于n n n u c v ≤≤，因此n n n n c u v u 0≤-≤-，即()n n n c u ∞=1-∑与()n n n v u ∞=1-∑皆为正项级数．由于n n u ∞=1∑与n n v ∞=1∑都收敛，因此()n n n v u ∞=1-∑收敛．由正项级数的比较判别法可知()n n n c u ∞=1-∑收敛．又()n n n n c u c u =+-，由级数的性质可知n n c ∞=1∑收敛．[典型例题补充］例1 选择题 下列命题中正确的是（ ）．A ． 若nn u∞=1∑与n n v ∞=1∑都收敛，则()n n n u v ∞=1+∑可能发散．B ． 若nn u∞=1∑收敛,n n v ∞=1∑发散，则()n n n u v ∞=1+∑必定发散．C ． 若nn u∞=1∑与n n v ∞=1∑都发散,则()n n n u v ∞=1+∑必定发散．D ． 若()nn n uv ∞=1+∑收敛，则n n u ∞=1∑与n n v ∞=1∑必定收敛．解 正确答案是B ．由级数的性质知命题A 错误．由反正法知命题B 正确．事实上，假设()n n n u v ∞=1+∑收敛，由n n u ∞=1∑收敛及()n n n n v u v u =+-知，n n v ∞=1∑也收敛，这与已知矛盾．故()n n n u v ∞=1+∑必定发散．若设n n n u ∞∞=1=1=1∑∑发散,()n n n v ∞∞=1=1=-1∑∑也发散，但是()()n n n n u v ∞∞=1=1+=1-1=0∑∑收敛．可知命题C 与D 都不正确．说明 若n n u ∞=1∑收敛，n n v ∞=1∑发散，则()n n n u v ∞=1±∑必定发散可以作为判定级数()n n n u v ∞=1±∑发散的充分条件使用．例1表明有限项相加的性质不能随意使用到无穷多项相加之中． 例2 判别下列级数的敛散性：（1）()n nn n n ∞=131+∑；(2） (cos )n n ∞=111-∑;（3)nn n n ∞=1⎛⎫⎪2+1⎝⎭∑;（4) !()n n n a n a n ∞=1>0∑． 解 （1）因为lim lim()n n n n u e n→∞→∞13=3=≠011+，所以n n u ∞=1∑发散． (2)分析：由于lim(cos )n n →∞11-=0，而cos sin n u n n211=1-=2>02 注意：sin ()lim lim lim ()sinn n n n nu n u n n n222+1→∞→∞→∞212⎡⎤112+1⎛⎫===1 ⎪⎢⎥12+12⎝⎭⎣⎦22 可知所给级数不能利用比值判别法判定．解法1 注意 cossin n u n n211=1-=2>02 由于当x >0时，sin x x <,可知sin n n 11<22，sin n n 2211<24 正项级数n n ∞2=114∑为收敛级数，由比较判别法可知(cos )n n ∞=111-∑收敛．解法2 由于当x →0时,sin x ～x ．可知当n →∞时sin n u n 21=22～n v n21=2则 sin lim lim n n n nu n u n 2+1→∞→∞2122==112,由于n n ∞2=11∑收敛，可知(cos )n n ∞=111-∑收敛． （3）因为n n 1==<12，所以nn n n ∞=1⎛⎫ ⎪2+1⎝⎭∑收敛． （4)分析：题中的a 没有限制其值，因此应该对a 加以讨论．解 因为()!!lim limlim ()n n n n n n n n n nu a n a n a au e n n n +1+1+1→∞→∞→∞+1===+11⎛⎫1+ ⎪⎝⎭故当a e >时,原级数发散;当a e <时，原级数收敛;当a e =时，不能用比值判别法判定所给级数的收敛性．但注意到数列nn ⎧⎫1⎪⎪⎛⎫1+⎨⎬ ⎪⎝⎭⎪⎪⎩⎭为单调增加且有上界，由于n n u u +1≥，又lim n n nu u +1→∞=1,由极限的性质可知当n 充分大时,必有n n u u +1>>0，因此lim n n u →∞≠0．故!n n n a n n ∞=1∑发散．例3 讨论级数ln ()pn np n∞=3>1∑的敛散性． 分析:通项中有ln n 因子,可考虑用积分判别法．解 令ln ()p x f x x =，当x ≥3时()f x ≥0，又ln ()()p p xf x p x +11-'=<0>1，故()f x 在[,)3+∞是正的单调递减函数，且ln ()p nf n n=，ln ()ln pp px x x f x dx dx xdx p p xx +∞1-1-+∞+∞+∞33331==-⋅1-1-⎰⎰⎰ln ()p ppp 1-1-233=-3<+∞1-1- 故由积分判别法知级数收敛．例4 设()ln nn n u n +1=-1，试判定n n u ∞=1∑与n n u ∞2=1∑的收敛性，并指出是绝对收敛，还是条件收敛？分析:n n u ∞=1∑是交错级数，n n u ∞2=1∑是正项级数．由于||ln ln()n n u n n+11==1+，注意到x →0时，ln()x x1+等价．解 因为ln()()n nn 111+→∞，所以lim ln ()n n n →∞111+=1，由于n n∞=11∑为发散的调和级数，因此lnn n n∞=1+1∑为发散级数． 因为ln()ln()n n 111+>1++1，且lim ln()lim n n n n →∞→∞111+==0，则由莱布尼兹定理知()ln n n n n ∞=1+1-1∑收敛．从而知其条件收敛．因ln ()nu n 221=1+，且lim ln ()lim()n n n n nn 2222→∞→∞11111+==1 由于级数n n ∞2=11∑为收敛级数，故由极限形式的比较判别法可知n n u ∞2=1∑收敛．［课堂练习］一、填空题１．若正项级数n n u ∞=1∑收敛，则n ∞=1是 级数．２．已知lim ()n n nu k →∞=≠0，则n n u ∞=1∑是 级数．３．已知lim n n a a b →∞=>>0，则nn n b a ∞=1⎛⎫⎪⎝⎭∑是 级数．４．级数(ln )nnn ∞=153∑的和为 ． ５．级数()()()n n n n n n 3∞=1-2+52-12+12+3∑是 级数．二、选择题1．下列命题中正确的是（ ）．A ．若n n u ∞=1∑收敛，则必有lim n n u →∞=0； Ｂ．若n n u ∞=1∑发散，则必有lim n n u →∞≠0;Ｃ．若lim n n u →∞=0,则n n u ∞=1∑必定收敛； Ｄ．若lim n n u →∞=0，则n n u ∞=1∑必定发散．2．下列命题中正确的是（ ）．A ．若||n n u ∞=1∑收敛，则n n u ∞=1∑必条件收敛；Ｂ．若n n u ∞=1∑发散，则||n n u ∞=1∑必定发散;Ｃ．若||n n u ∞=1∑发散，则n n u ∞=1∑必定发散； Ｄ．若n n u ∞=1∑收敛,则||n n u ∞=1∑必定收敛．3．若级数n n u ∞=1∑收敛于S ，则级数()n n n u u ∞+1=1+∑( ）．A ．收敛于S 2； Ｂ．收敛于S u 12+； Ｃ．收敛于S u 12-； Ｄ．发散．4．若级数nn a ∞2=1∑和nn b ∞2=1∑都收敛,则级数n n n a b ∞=1∑（ ）A ．一定条件收敛；Ｂ．一定绝对收敛；Ｃ．一定发散；Ｄ．可能收敛可能发散． ５．设a为常数，则sin ()n na n ∞2=1-∑为（ ）． A ．绝对收敛； Ｂ．条件收敛； Ｃ．发散；Ｄ．收敛性与a 有关．三、判别下列级数的敛散性1．n n 1∞3=11⎛⎫ ⎪⎝⎭∑； 2．nn n 1∞=11⎛⎫⎪⎝⎭∑； 3．n ∞=1．四、判别下列级数的敛散性,若收敛，是绝对收敛，还是条件收敛？ 1．ln()()nn n n ∞=11+-11+∑； 2． ()(cos )n n n α∞=1-11-∑ （α>0为常数）．答案 一、1．收敛;2．发散;3．收敛；４．ln 33-5；5．发散．二、1．A ； 2．B ； ３．C; ４．B; ５．C三、１．发散,p 级数;→1； ３．收敛． 四、1．条件收敛； 2．绝对收敛．10－2 幂级数［教学基本要求］高等数学 1。
1-1 常数项级数的概念、性质、收敛性
则 lim σ n = lim sn+ k − lim sk = s − sk . n→ ∞ n→ ∞ n→ ∞
类似地可以证明在级数前面加上有限项不 影响级数的敛散性.
2007年8月 南京航空航天大学 理学院 数学系 马儒宁 22
性质 4 收敛级数加括弧后所成的级数仍然收敛 于原来的和.
证明
( u1 + u2 ) + ( u3 + u4 + u5 ) + σ 1 = s2 , σ 2 = s5 , σ 3 = s9 , , σ m = sn ,
2007年8月
南京航空航天大学 理学院 数学系 马儒宁
13
例 1 讨论等比级数(几何级数)
aq n = a + aq + aq 2 + ∑
n= 0
∞
+ aq n +
( a ≠ 0)
的收敛性.
解 如果 q ≠ 1时
sn = a + aq + aq 2 +
n
+ aq n−1
a − aq a aq n = = − , 1− q 1− q 1− q
18
注：定理1.1的否定说法：级数发散的 充要条件是：存在某个 ε 0
> 0 ，对任
何自然数 N ， n。＞N及任意 的正整 ∃ 数P。，使
n + P0
k = n +1
∑u
k
≥ ε0
2007年8月
南京航空航天大学 理学院 数学系 马儒宁
19
1 例 3 证明调和级数 ∑ 发散。 n =1 n
【证】取
2007年8月
南京航空航天大学 理学院 数学系 马儒宁
数项级数及审敛法
级数收敛 ;
级数发散 .
从而
例5. 讨论级数
的敛散性 .
解:
根据定理4可知:
级数收敛 ;
级数发散 ;
对任意给定的正数
*定理5. 根值审敛法 ( Cauchy判别法)
设
为正项
则
证明提示:
即
分别利用上述不等式的左,右部分, 可推出结论正确.
级数, 且
时 , 级数可能收敛也可能发散 .
例如 , p – 级数
(2) 当 且 收敛时,
(3) 当 且 发散时,
也收敛 ;
也发散 .
注:
1) un , vn均为无穷小时, l 的值反映了它们不同阶的比较.
的敛散性.
～
例3. 判别级数
的敛散性 .
解:
根据比较审敛法的极限形式知
例4. 判别级数
备用题
1. 判别级数的敛散性:
解: (1)
发散 ,
故原级数发散 .
不是 p–级数
(2)
发散 ,
故原级数发散 .
2.
则级数
(A) 发散 ; (B) 绝对收敛;
(C) 条件收敛 ; (D) 收敛性根据条件不能确定.
分析:
∴ (B) 错 ;
又
C
胞体的直径相差很大，4-150μm， 细胞体是神经元营养、代谢的中心。
则级数
收敛 , 且其和
其余项满足
证:
是单调递增有界数列,
又
故级数收敛于S, 且
故
收敛
收敛
用Leibnitz 判别法判别下列级数的敛散性:
收敛
上述级数各项取绝对值后所成的级数是否收敛 ?
常数项级数的敛散性判别
定理1.1正项级数 收敛的充要条件是它的部分和数列有上界.
定理1.2（比较准则I）设 和 是两个正项级数,并且
(1)若 收敛,则 收敛; (2)若 发散,则 发散.
定理1.3 (比较准则II)设 和 是两个正项级数,并且
(1)若 ,则两个数列同时收敛或同时发散;
例7.判别级数 的敛散性.
解：
而 收敛;而对于 ,当 时收敛,当 时发散.综上可知,原级数当当 时收敛,当 时发散.
例8.判断级数 的敛散性,若收敛,是条件收敛还是绝对收敛?
解：
,得到一个交错级数
则易知级数收敛,但其绝对值级数发散.故原级数条件收敛.
6.Cauchy积分法
即定理1.4（积分准则）,利用的就是级数 与无穷积分 同时收敛或同时发散.就此举一例如下:
结束语
本文主要是通过归纳总结将常数项级数的审敛准则与方法及例题放在一起,希望会对同学们关于级数敛散性的入门学习起到辅助作用.其实方法还不止上述所列出的几种,文中未包含的还有高斯判别法、拉贝判别法等,如感兴趣,可在利用网络自行查找相关文献.
参考文献
[1]工科数学分析基础.上册/王绵森,马知恩主编,2版.—北京：高等教育出版社,2006.2
且 .
定理2.2(绝对收敛准则)若级数 收敛,则级数 收敛.
若绝对值级数 收敛,则称级数 绝对收敛;若级数 收敛,但其绝对值级数 发散,则称 条件收敛.
有了这些基础知识作为铺垫,现在我们进入对一些方法的探讨.
1.不等式的利用
在此我们常用到的不等式有以下几种：
（1） ;（2） ;（3） ;（4）
个人认为,前三个不等式大家都用得比较熟练,最后一个不等式不太能在做题时想到.对于些题目看似很复杂,但利用不等式后就会豁然开朗.此处是将原数放大,主要运用比较准则.
10.3数项级数的收敛性判别法(1)
1+ n 由比较判别法知，级数∑ un = ∑ 发散. 2 n =1 n =1 1 + n
12
∞
∞
n! 例5 判断级数 ∑ n 的敛散性. n =1 n
但
p ≤ 1, 级数发散 .
21
∞
例12 讨论级数
∑n x
n =1
n −1
( x > 0 ) 的敛散性 .
u n +1 (n + 1) x n = lim =x 解: ∵ lim n − 1 n →∞ u n n →∞ n x
根据定理4可知:
当0 < x < 1 时, 级数收 敛 ; 当 x > 1时, 级数发散 ;
n− N
u N +1
k ( ρ + ε ) 收敛 , 由比较判别法可知 ∑
∑ un 收敛 .
20
(2) 当ρ > 1 或 ρ = ∞ 时,必存在 N ∈ Z + , u N ≠ 0, 当n ≥ N
u n +1 > 1, 从而 时 un u n +1 > u n > u n −1 > ⋯ > u N
(1) 当0 < l <∞时, 取 ε < l , 由定理 2 可知
∑ u n 与 ∑ vn
n =1 n =1
∞
∞
(2) 当l = 0时, 利用 u n < ( l + ε ) vn (n > N ), 由定理2 知 若 ∑ vn 收敛 , 则 ∑ u n 也收敛 ;
6-2 常数项级数的审敛法
即 s ≤ s1 = a1 .其余项
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rn = (−1) an+1 + (−1) an+2 +L= (−1) (an+1 − an+2 + L)
n n
n= ( −1) a n +1 − a n + 2 + L ≤ a n +1 ;
n
因为an+1 ≥ 0, 所以 rn ≤ an+1 上述交错级数的审敛法也称为莱布尼兹审敛法 上述交错级数的审敛法也称为莱布尼兹审敛法
因此, 级数 ∑ ( −1)
n =1
∞
n −1
1 收敛. n
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三、绝对收敛与条件收敛
以上讨论了正项级数与交错级数的敛散性, 以上讨论了正项级数与交错级数的敛散性 下面简单地讨论一下任意项级数的敛散性. 下面简单地讨论一下任意项级数的敛散性 形如
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类似地还可得到： 类似地还可得到： 一个正项级数(6-1), 如果对每一个 都有 如果对每一个n都有 一个正项级数
an+1 ≥ g > 1, an
那么这个正项级数是发散的. 那么这个正项级数是发散的
an+1 如果在正项级数(6-1)中,比值 a 的极限存 如果在正项级数 中 比值 n
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1 1 1 n−1 1 +L 例6-13 判别级数 1 − + − +L+ (−1) 2 3 4 n
的敛散性. 的敛散性.
1 1 1 解 因为 a n = , 所以a n + 1 = n + 1 < n = a n , 且有 n
7.2正项级数敛散性的判别
∞
1 lim ln n = ∞ 而∑ 2 收敛, n →∞ n =1 n
∞
∞
ln n ∴ ∑ 2 的敛散性依据该定理无法判别. n =1 n
1 ln n n2 = lim ln n = lim ln x = lim x = lim 2 1 = 0 lim 1 n →∞ x →+∞ x →+∞ n →∞ 1 x x x →+∞ 1 2 n 3 2 x 2 n
3 2
n2 1 = lim 2 = n →∞ 3n − 1 3
而级 数 ∑
n =1 ∞
1 n
3 2
n 收敛 , ∴ 级 数 ∑ 2 收敛. n =1 3n − 1
∞
1 的敛散性 . 例 判定级数 ∑ n n =1 3 − n 1
∞
3 n = lim 1 ∵ lim 3 − n = lim = 1, 解 n n→ ∞ n→ ∞ 1 n n→ ∞ 3 − n 1−
当q < 1时, 收敛 n 1 ∑aq 敛散性 、 当q ≥ 1时, 发散 n=0
∞
1 2、调和级数 、 ∑n发散. n=1
∞
§7.2 正项级数敛散性的判别
• • • • 一、正项级数的概念 二、比较判别法 三、比值判别法 四、*根值判别法 根值判别法
一、正项级数
称为正项级数 正项级数. 定义 如果级数 ∑ un中各项均有 un ≥ 0, 这种级数 称为正项级数.
n=1 n =1 n =1 ∞ n=1 ∞
∞
∞
判 断 ∑ u n的 敛 散 性 .
n=1
∞
对欲求级数进行 缩小应缩小为发 发 散级数. 散级数
c n ≤ un ≤ v n
放大， 放大，缩小的方向
常数项级数与幂级数的敛散性判定
常数项级数与幂级数的敛散性判定常数项级数和幂级数是数学分析中常见的两种级数形式。
在研究级数的性质和求解级数问题时，判定其敛散性是一个关键的问题。
本文将介绍常数项级数和幂级数的敛散性判定方法。
一、常数项级数的敛散性判定常数项级数的一般形式为：\[ \sum_{n=1}^{\infty} a_n \]其中，\( a_n \)表示级数的通项。
常数项级数的敛散性主要通过判别级数的通项\( a_n \)是否满足某些条件来进行。
1. 正项级数判别法若级数的通项\( a_n \)皆大于等于零，并且\( a_{n+1} \geq a_n \)（\( n \)为正整数），则称该级数为正项级数。
正项级数的敛散性可以直接通过判断级数的通项\( a_n \)是否收敛于零来决定。
即若\( \lim_{n \to \infty} a_n = 0 \)，则正项级数收敛；若\( \lim_{n \to \infty} a_n \neq 0 \)，则正项级数发散。
2. 比较判别法若存在一个收敛的正项级数\( \sum_{n=1}^{\infty} b_n \)，使得对于所有\( n \)，有\( a_n \leq b_n \)，则称级数\( \sum_{n=1}^{\infty} a_n \)与级数\( \sum_{n=1}^{\infty} b_n \)相比较。
根据比较判别法，如果级数\( \sum_{n=1}^{\infty} b_n \)收敛，则级数\( \sum_{n=1}^{\infty} a_n \)也收敛；如果级数\( \sum_{n=1}^{\infty}b_n \)发散，则级数\( \sum_{n=1}^{\infty} a_n \)也发散。
3. 极限判别法对于级数的通项\( a_n \)，若存在\( \lim_{n \to \infty}\frac{a_{n+1}}{a_n} = L \)，其中\( L \)是常数，则称级数\( \sum_{n=1}^{\infty} a_n \)满足极限判别法。
9-1常数项级数的概念和性质 (2)
例如 1 2 3 … n …发散.由于lim n 1 0
234
n1
n n 1
例如：1
1
1
1
…
由于lim n
un不存在
所以是发散的.
又如 sin n 发散.由于limsin n 不存在( 0)
n1
3
n
3
lim
n
un
结果不同，故无穷个数相加不一定有和
问题2 ：如果存在和，和等于什么？
6
两个概念：
(1)级数的前 n 项和
…
称为级数的部分和.
(2)称{sn }为级数的部分和数列. 其中 s1 u1, s2 u1 u2 ,
s3 u1 u2 u3, … sn u1 u2 … un , …
k 1
这说明级数 (un vn ) 也收敛，其和为 .
n1
即 ( un vn ) ( un vn ).
n1
n1
n1
15
说明: (1)性质1 也可说成：两个收敛级数可以逐项相
加或者逐项相减.
(2) 若两级数中一个收敛一个发散 , 则 ( un vn )
n
1 0，
n
n n2 n n 2
所以级数 ( n2 n n)发散. n1
24
小结
★级数的基本概念 un u1 u2 u3 … un …
n1
级数收敛(发散)
lim n
sn
存在(不存在)
★基本审敛法
1.定义法： lim n
常数项级数的敛散性判别法
1
发散 .
n1 n(n1)
4.比较判别法的极限形式:
设 un 与 vn 都是正项级数,如果
n1
n1
lim un n vn
l,
则(1) 当 0l时 ,二级数有相同的敛散性;
(2) 当 l 0时，若 v n 收敛,则 u n 收敛;
n1
n1
(3) 当 l时, 若 vn 发散,则 un 发散;
第二讲 常数项级数的敛散性判别法
• 内容提要
1．正项级数及其审敛法； 2．交错级数判别方法； 3. 绝对收敛与条件收敛.
• 教学要求
1．掌握正项级数的比较判别法； 2．熟悉比值判别法，了解根值判别法； 3．掌握交错级数判别方法； 4. 判断级数的绝对收敛与条件收敛.
一、正项级数及其敛散性判别法
1.定义: 如果级un中 数各项 un 均 0， 有
两点注意:
1 . 当 1 时 比 值 审 敛 法 失 效 ;
例
级数
1发散 ,
n1n
级数
n1
1 n2
收敛,
(
1)
2.条 件 是 充 分 的 ,而 非 必 要 .
例 u n22 ( n1)n2 3 nvn,
级n数 1unn 122 ( n1)n收,敛
则级数 un发散;
n1
如果有p1, 使得nl im npun存在,
则级数 un收敛.
n1
例 3 判 定 下 列 级 数 的 敛 散 性 :
(1) si1 n;
n1 n
1
无穷级数习题课(2)
常数项级数
1
一、定义及性质
1．常数项级数 2．敛散性定义
an
n1
n
设Sn
k 1
an，如果
lim
n
Sn
s
存在，
3．性质
则级数收敛，否则级数发散。
必要性:
级数
an 收敛
n1
lim
n
an
0.
线性运算性质: 设级数 un s, vn , , 为常数
n1
n1
n1
No
Yes
| an 收| 敛
n1
lim an1 a n
n
lim
n
n
an
No
1
No
找正项收敛
级数 bn n1
找正项发散
级数 cn n1
an (1)n un No
Yes
an为交错级数
n1
用其它方 法证明
1
Yes 1
an发散
n1
an收敛
n1
an bn
an收敛
n1
an cn
解：
由于
an
2n 1 3n
3n 3n
n1 3n
n 3n1
n1 3n
，由定义
Sn
(1
2) 3
(2 3
3 32
)
3 ( 32
4 33
)
(
n 3n1
n1 3n )
1
n1 3n
S
lim
n
Sn
lim(1
n
n1 3n )
1
所以原级数收敛，且和为1。
6
【例2】判别级数
常数项级数敛散性的判定法
应用广泛
常数项级数在数学物理方程、概 率论、统计学等领域有广泛的应 用，是解决实际问题的重要工具。
理论价值
常数项级数的敛散性判定法是数 学理论的重要组成部分，对于数 学的发展和深入研究具有重要意 义。
判定常数项级数敛散性的意义
解决问题
通过判定常数项级数的敛散性，可以解决一系列数学问题，如求和、 积分、无穷乘积等。
柯西收敛准则
柯西收敛准则
如果对于任意给定的正数$epsilon$，存在一个正整数$N$，使得对于所有的$n>N$，级数 中相邻两项的绝对值都小于$epsilon$，则级数收敛。
柯西收敛准则的适用范围
适用于所有常数项级数，是判定级数收敛性的最基本准则。
柯西收敛准则的证明
通过反证法，假设存在一个不收敛的级数，然后构造一个满足条件的$epsilon$和$N$，使得 对于所有的$n>N$，级数中相邻两项的绝对值都大于$epsilon$，这与假设矛盾，因此级数 必须收敛。
几何级数
总结词
几何级数是每一项都与前一项成固定 比例的级数。
详细描述
几何级数是一种特殊的等比级数，其一般形式 为$sum_{n=0}^{infty} a_n r^n$，其中$a_n$ 是首项，$r$是公比。当$|r| < 1$时，几何级数 收敛；当$|r| = 1$时，几何级数可能收敛或发 散；当$|r| > 1$时，几何级数发散。
常数项级数的性质
常数项级数的每一项都是非负的或非正的，即an ≥ 0或an ≤ 0。 常数项级数的和可以是有限的、无限的或无穷的。
常数项级数的分类
收敛级数
当常数项级数的和是有限的，则该级 数为收敛级数。
发散级数
当常数项级数的和是无限的或无穷的 ，则该级数为发散级数。
级数敛散性总结
摘要级数理论是数学分析的重要组成部分，研究级数对于深入探讨数学分析问题有着深远的意义。
级数理论中最重要的问题和学者研究最多的问题则是关于级数收敛与发散的问题。
级数的收敛与发散性质更是级数存在当中的最基本的立足点。
基于级数发散和收敛的问题，本文对级数进行了比较详细和系统的介绍，并在级数收敛性方面进行了较为详细的概括，包括级数的分类和收敛性的总结和应用。
本文第一个部分首先对常见的级数：常数项级数、正项级数、交错级数、函数项级数、幂级数、傅立叶级数，进行了大概的介绍，并从常见级数的定义、常见级数的分类、级数收敛发散的充要条件和对应级数常用的收敛判别方法进行详细的分析概括。
本文的第二个部分针对具体的级数收敛方法，从方法的定义和方法的具体例子应用两个方面对其进行较为全面的介绍和分析，其中包括：判别级数发散与收敛的简单方法、比较判别法、比值判别法、高斯判别法、达朗贝尔判别法、对数判别法、积分判别法、拉贝判别法、柯西判别法。
最后，本文第三部分通过整理级数散敛性判断的方法，对本文进行一个综合的概括，主要从基于级数类型的方法和基于通项特征的方法两个方面总结了解答收敛性问题的分析思路和如何更快的寻找有效的方法。
关键词：级数敛散性方法AbstractProgression theory is an important part of the mathematical analysis. The study of series is of profound significance for further discussing mathematical analysis problems. Series convergence and divergence problem is the most important question in progression theory that many researchers research on. For the analysis, series convergence and series divergence is of the basic foothold existing in mathematical analysis.Firstly, based on the series convergence and series divergence, this thesis gives a detailed and systematical introduction to series, and a more detailed summary of series convergence, including the classification of series, application of convergence. Firstly, this paper has a general introduction to common series, including constant series, series of positive term, staggered series, series with function terms, power series, fourier series. Besides, the paper has detailed analysis and summary of the definition of common series, the classification of common series, and the sufficient and necessary conditions for the convergence series, together with the commonly used identification methods of corresponding series.And then the second part of this article has a comprehensive introduction and analysis of the method’s definition and specific examples application of the method, including: simple method distinguishing the divergence of a series , comparative method, ratio method, Gauss method, D'Alembert discriminant method, Logarithmic method, integral method, Rabe method, and Cauchy method.Finally, the third part of this paper made a comprehensive summary through sorting out identifying methods of series convergence and divergence. Based on the types of series and the methods of general term characteristics, this paper summarized the analysis mentality and effective ways of solutions to convergence problem.Key words: Series Convergence Mathod第一章引言级数理论是数学分析的重要组成部分，与极限理论有密切的联系，它与另一个分支微积分学一起作为基础知识和工具出现在其余各分支中。
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综上所述，我们有以下重要结论：
P
级数
n1
1 np
当 p 1时， 收敛．
当
p
1 时，
发散．
当 p 1时，
级数 1 1 1 1 1 称为调和级数，
n1 n
23
n
调和级数是发散的．
几何级数
aqn
当
|
q
|
1
时，收敛于 1
a
． q
n0 当 | q | 1时，发散．
二、正项级数敛散性的判定法
n1 n 1
级数
1 发散．
n1 n(n 1)
× 另解 (1) 1 1， 又级数 1 发散，
n(n 1) n
n1 n
级数
1 发散．
n1 n(n 1)
(2)
1 1 3n
(1)n，又级数 3
(1)n收敛， n1 3
级数
1 收敛． n1 1 3n
利用比较判定法判定正项级数的敛散性，需要 找一个已知敛散性的正项级数作为比较级数．
即 un 的部分和数列有上界， un 收敛．
n1
n1
由(1)用反证法可证(2)．
1. 比较判定法
定理 设有级数 un， vn，其中 0 un vn(n 1,2, )，
n1
n1
(1) 如果 vn 收敛，则 un 也收敛；
n1
n1
(2) 如果 un 发散，则vn 也发散．
n1
n1
根据级数的性质，定理中的条件 0 un vn(n 1,2, )， 可放宽为：存在正整数 N 及正数 k，
n1
从而我们有正项级数收敛的充要条件
正项级数收敛 其部分和数列 sn有上界．
例 1 讨论 p-级数
1
n1 n p
1
1 2p
1 3p
1 4p
1 np
的收敛性．
解
当
p
0
时，lim n
un
lim
n
1 np
1
p 0，发散． p0
当
p 1时，sn
1
1 2
1 3
1 ，作函数 n
y 1 的图形， x
1. 比较判定法
定理 设有级数 un， vn，其中 0 un vn(n1,2, )，
n1
n1
(1) 如果 vn 收敛，则 un 也收敛；
n1
n1
(2) 如果 un 发散，则vn 也发散．
n1
n1
证明 (1) vn 收敛，其部分和数列有上界 (设为 )，
n1
又 un vn， sn u1 u2 un v1 v2 vn ，
由图可知 1 n1 dx n nx
y 1
x
sn
1
1 2
1 3
1 n
n1 dx ln(n 1) 1x
所以 sn没有上界，发散．
p-级数
n1
1 np
1
1 2p
1 3p
1 4p
1 np
当 p 0 及 p 1时，发散．
当
0
p 1时，sn1
1 2p
所以 sn没有上界，发散．
1 np
1
y
1 2
n1
|
un
|
收敛．
证
设
lim
n
n2un
s，则
lim n2
n
|
un |
|
s
|，
由上述推论知 | un | 收敛．
n1
此时我们也称 un 绝对收敛．
n1
2. 比值判定法(达朗贝尔判定法)
定理
设
n1
un
是正项级数，如果lim n
使 0 un kvn，(n N )． 利用比较判定法判定正项级数的敛散性，需要
找一个已知敛散性的正项级数作为比较级数．
常用的比较级数是几何级数，p-级数．
例2 判定级数 (1)
n1
1 n(n
1)
，
(
2)
n1
1
1 3n
的敛散性．
解 (1) 1 1 ，又级数 1 发散，
n(n 1) n 1
第二节 常数项级数敛散性的判定法
一、正项级数及其敛散性的判定法
正项级数的概念
如果级数 un的通项 un 0，则称其为正项级数．
n1
若 un 是正项级数，则其部分和数列 sn 单调增加．
n1
如果部分和数列 sn 有上界，则正项级数 un 收敛；
n1
如果部分和数列 sn 没有上界，则正项级数 un 发散．
n1 2n 1
nn3 3
解
(1)
lilmim( nn
2(2nn？111)3)3nnl
1 2
0
0，
又
1 发散，
6 n1
n
(
n
6 n
n3 发散．
)n
n1 (2n 1)3 n
(2)
lim
n
2n 1 (1)n
lim( 2n )n lim(1 1 )n 1 .
n 2n 1 n 2n 1
的敛散性知，
p
q np
当
pq (2)
时，
n1
lim n
sin
q
1 np
收敛，当
pq
ln(1
1
1 n2
)
1
0，又
时， sin
n1
q
1 np
1 收敛， n1 n2
发散．
n2
n1
ln
n2 n2
1收敛．
例4 判定下列级数的敛散性
(1)
n3
； (2) (
n
)n .
n1 (2n 1)3 n
n1
n1
特别地，若 l 0， vn 收敛 un 收敛．
n1
n1
若 l ，vn 发散 un 发散．
n1
n1
例3 判定下列级数的敛散性
解
(1) (1)
n1
sin q
1 np
(
p
0, q
0)；
sin q lim
1 np
1 0，由
n 1
(2)
n1
n1
1 qn
ln
n2 n2
1.
1 n
ln(n 1)
当
p
1 时，作函数
y
1 xp
的图形，
y
1 xp
(
p
1)
由图可知
1 np
n dx n1 x p
(n 2,3, )
o
1
234
x
sn
1
1 2p
1 3p
1 np
1
2 dx 1 xp
n dx n1 x p
1
ndx 1 xp
1
1 (1 p1
1 n p1
)
1
1 p1
所以 sn有上界，收敛．
e
2
又
(1)n 收敛，
(
n
)n 收敛．
n1 2
n1 2n 1
推论
设
un 为正项级数，如果
n1
lim
n
n
p
un
l
0，
则当 p 1时，级数收敛；当 p 1时，级数发散．
如果
lim
n
n
pun
0，且
p 1，级数收敛；
如果
limHale Waihona Puke nnpun
，且
p 1，级数发散.
例5
设
lim
n
n2un
存在，证明
如果所需判定的正项级数收敛，则需找一个通项 较大的收敛的正项级数作为比较级数．
如果所需判定的正项级数发散，则需找一个通项 较小的发散的正项级数作为比较级数．
从而在实际问题中，直接应用比较判定法有 很大的盲目性，且也很不方便． 为此我们给出方便实用的比较判定法的极限形式．
定理(比较判定法的极限形式)
设
n1
un，
n1
vn
为正项级数，
如果
lim
n
un vn
l
0，
则 un 与 vn 有相同的敛散性．
n1
n1
证明 当
n
lim un l n vn N 时，有
0， | un vn
l|
对于 0
l 2
l ， N 0，
2
l 2
vn
un
3l 2
vn，
由比较判定法知 un 与 vn 有相同的敛散性．