常数项级数的概念与性质教案

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常数项级数的概念和性质

§1 常数项级数的概念和性质【目的要求】1、能区分无穷项相加与有限项相加的区别；2、了解无穷级数部分和与级数收敛及发散的关系、和的定义；3、掌握用部分和的极限、收敛级数的必要条件来判别级数的敛散性．【重点难点】数项级数的概念与性质．【教学内容】一、常数项级数的概念定义1.1 给定一个无穷实数列{}n u ：12,,,,n u u u则由这数列构成的表达式12n u u u ++++叫做常数项无穷级数, 简称常数项级数, 记为∑∞=1n n u , 即1231nn n uu u u u ∞==+++++∑,其中第n 项n u 叫做级数的一般项(或通项). 级数∑∞=1n n u 的前n 项和1231nn i n i s u u u u u ===++++∑称为级数∑∞=1n n u 的前n 项部分和. 部分和构成的数列12{}:,,,n n s s s s称为部分和数列.定义 1.2 如果级数∑∞=1n n u 的部分和数列}{n s 收敛, 即s s n n =∞→lim , (s 为一实数)则称无穷级数∑∞=1n n u 收敛, 并称s 为级数∑∞=1n n u 的和, 并写成1231n n n s u u u u u ∞===+++++∑;如果}{n s 发散, 则称无穷级数∑∞=1n n u 发散. 级数的收敛和发散统称为敛散性.当级数∑∞=1n n u 收敛时, 其部分和n s 是级数∑∞=1n n u 的和s 的近似值, 它们之间的差n n r s s =-称为级数∑∞=1n n u 的余项. n s 和s 之间的误差可由||n r 去衡量, 由于s s n n =∞→lim , 所以lim ||0n n r →∞= 例1 讨论等比级数(几何级数)20nn n aqa aq aq aq ∞==+++++∑, (0a ≠)的敛散性.解如果1q ≠, 则部分和21111n n n n a aq a aq s a aq aq aqq q q--=++++==----. 当||1q <时, 因为q a s n n -=∞→1lim , 所以此时级数n n aq ∑∞=0收敛, 其和为q a-1. 当||1q >时, 因为lim n n s →∞不存在, 所以此时级数n n aq ∑∞=0发散. 如果||1q =, 则当1q =时, 因为lim n n s →∞不存在, 因此此时级数n n aq ∑∞=0发散;当1q =-时, 级数n n aq ∑∞=0成为a a a a -+-+,因为lim n n s →∞不存在, 因此此时级数n n aq ∑∞=0发散. 综上所述, 如果||1q <, 则级数n n aq ∑∞=0收敛, 其和为q a-1;如果||1q ≥, 则级数n n aq ∑∞=0发散.例2 证明级数0123n n n ∞==+++++∑是发散的.证此级数的部分和为2)1( 321+=+⋅⋅⋅+++=n n n s n . 显然, ∞=∞→n n s lim , 因此该级数是发散的. 例3 判别无穷级数 011111(1)122334(1)n n n n n ∞==++++++⋅⋅⋅+∑ 的收敛性.解部分和111)1(1+-=+=n n n n u n ,由于)1(1431321211++⋅⋅⋅+⋅+⋅+⋅=n n s n111)111( )3121()211(+-=+-+⋅⋅⋅+-+-=n n n从而1)111(lim lim =+-=∞→∞→n s n n n ,所以该级数收敛, 其和是1.以上几个例题, 都是先将部分和n s 的表达式算出, 然后讨论lim n n s →∞是否存在, 从而判断级数的敛散性. 然而对绝大多数级数来说, n s 的表达式难以计算, 而且实际问题中往往只需知道一个级数是收敛还是发散, 并不奢望对每个级数都求出其和, 因此我们有必要研究某些直接从一般项n u 的形式就可以判断∑∞=1n n u 敛散性的简明法则. 为此, 先对级数的基本性质展开一些讨论.二、收敛级数的基本性质性质 1 如果级数∑∞=1n n u 收敛于和s , k 为任意常数, 则级数∑∞=1n n ku 也收敛,且其和为ks .证设∑∞=1n n u 与∑∞=1n n ku 的部分和分别为s n 与σn , 则) (lim lim 21n n n n ku ku ku ⋅⋅⋅++=∞→∞→σks s k u u u k n n n n ==⋅⋅⋅++=∞→∞→lim ) (lim 21. 所以级数∑∞=1n n ku 收敛, 且和为ks .性质2 如果级数∑∞=1n n u 、∑∞=1n n v 分别收敛于和s 、σ, 则级数)(1n n n v u ±∑∞=也收敛, 且其和为s σ±.证设∑∞=1n n u 、∑∞=1n n v 、)(1n n n v u ±∑∞=的部分和分别为s n 、σn 、τn , 则)]( )()[(lim lim 2211n n n n n v u v u v u ±+⋅⋅⋅+±+±=∞→∞→τ )] () [(lim 2121n n nv v v u u u +⋅⋅⋅++±+⋅⋅⋅++=∞→ σσ±=±=∞→s s n n n )(lim . 所以级数)(1n n n v u ±∑∞=收敛, 且和为s σ±.性质3 在级数中去掉、加上或改变有限项, 不会改变级数的收敛性. 比如, 级数11111122334(1)n n u n n ∞==+++++⋅⋅⋅+∑是收敛的, 级数110000 n n u ∞=+∑也是收敛的, 级数3n n u ∞=∑也是收敛的.性质 4 设级数∑∞=1n n u 收敛, 其和为s , 则保持级数原有顺序对其任意加括号后所成的级数仍收敛, 且其和不变.注意如果加括号后所成的级数收敛, 则不能断定去括号后原来的级数也收敛. 例如, 级数(11)(11) -+-+收敛于0, 但级数1111-+-+却是发散的.推论如果保持原有顺序添加括号后所成的级数发散, 则原来级数也发散. 性质5(级数收敛的必要条件) 如果∑∞=1n n u 收敛, 则它的一般项n u 趋于零,即0lim 0=→n n u . 证设级数∑∞=1n n u 的部分和为n s , 且s s n n =∞→lim , 则 0lim lim )(lim lim 110=-=-=-=-∞→∞→-∞→→s s s s s s u n n n n n n n n n . 注意性质5只是级数收敛的必要条件, 而不是充分条件, 即一般项趋于零的级数不一定收敛. 但可以用性质5的逆否命题来判断一个级数的发散.推论若0lim 0n n u →≠，则级数∑∞=1n n u 发散. 由此结论, 我们马上可知下列级数:1(0)n a ∞=>, 11(1)n n ∞=-∑, 11(1)nn n ∞=+∑, 1(1)n n ∞=-∑是发散的.应当注意, 尽管有些级数的一般项趋向于零, 但仍是发散的. 例4 证明调和级数 11111123n nn∞==+++++∑是发散的.证假若级数∑∞=11n n收敛且其和为s , n s 是它的部分和.显然有s s n n =∞→lim 及s s n n =∞→2lim . 于是0)(lim 2=-∞→n n n s s .但另一方面, 2121 212121 21112=+⋅⋅⋅++>+⋅⋅⋅++++=-n n n n n n s s n n ,故0)(lim 2≠-∞→n n ns s , 矛盾. 这矛盾说明级数∑∞=11n n 必定发散.§2 常数项级数的审敛法【目的要求】1、理解正项级数的定义、性质、收敛的充分必要条件；2、掌握三种判别法使用区别．3、了解绝对收敛与条件收敛等概念；4、熟练掌握交错级数收敛的判别法；5、熟练掌握绝对收敛与条件收敛的判别法．【重点难点】正项级数的特有性质及判别法．区分绝对收敛与条件收敛．【教学内容】一般的常数项级数, 它的各项可以是正数、负数或者零. 现在我们先讨论各项都是非负的级数——正项级数. 这种级数特别重要, 以后将看到许多级数的敛散性问题可归结为正项级数的收敛性问题.一、正项级数及其审敛法定义 2.1 若级数∑∞=1n n u 的各项均非负, 即0n u ≥, 则称该级数为正项级数.设级数1231nn n uu u u u ∞==+++++∑ (1)是一个正项级数, 它的部分和为n s . 显然, 数列{}n s 是一个单调递增数列. 如果数列{}n s 有界, 根据单调有界的数列必有极限的准则, 级数(1)必收敛于s . 反之,如果正项级数(1)收敛于s , 即s s n n=∞→lim , 根据有极限的数列是有界数列的性质可知, 数列{}n s 有界. 因此, 我们得到如下重要的结论.定理2.1 正项级数∑∞=1n n u 收敛的充分必要条件是它的部分和数列{}n s 有界.由定理 2.1 可知, 如果正项级数∑∞=1n n u 发散, 则它的部分和数列n s →∞(n →∞), 即1n n u ∞==+∞∑由此, 可得关于正项级数的一个基本的审敛法. 定理 2.2 (比较审敛法) 设∑∞=1n n u 和∑∞=1n n v 都是正项级数, 且n n u v ≤(1,2,n =). 若级数∑∞=1n n v 收敛, 则级数∑∞=1n n u 收敛; 反之, 若级数∑∞=1n n u 发散, 则级数∑∞=1n n v 发散.证设级数∑∞=1n n v 收敛于和σ, 则级数∑∞=1n n u 的部分和1212(1,2,)n nns u u u v v v n σ=+++≤+++≤= 即部分和数列{}n s 有界, 由定理2.1 知级数∑∞=1n n u 收敛.反之, 设级数∑∞=1n n u 发散, 则级数∑∞=1n n v 必发散. 因为若级数∑∞=1n n v 收敛, 由上已证明的结论, 将有级数∑∞=1n n u 也收敛, 与假设矛盾.推论设∑∞=1n n u 和∑∞=1n n v 都是正项级数, 如果级数∑∞=1n n v 收敛, 且存在自然数N , 使当n N ≥时, 有n n u kv ≤ (0k >)成立, 则级数∑∞=1n n u 收敛; 如果级数∑∞=1n n v 发散, 且当n N ≥时, 有n n u kv ≥ (0k >)成立, 则级数∑∞=1n n u 发散.例1 讨论p -级数1111111234p p p p pn n n ∞==++++++∑的收敛性, 其中常数0p >.解设1p ≤. 这时n n p 11≥, 而调和级数∑∞=11n n发散, 由比较审敛法知, 当1p ≤时级数pn n 11∑∞=发散. 设1p >, 且1n x n -≤≤时. 有1111111111d d []1(1)n n p p p p p n n x x n n x p n n ----=≤=---⎰⎰(2,3,n =).对于级数]1)1(1[112--∞=--∑p p n n n , 其部分和111111)1(11])1(11[ ]3121[]211[------+-=+-+⋅⋅⋅+-+-=p p p p p p n n n n s .因为1])1(11[lim lim 1=+-=-∞→∞→p n n n n s . 所以级数]1)1(1[112--∞=--∑p p n n n 收敛. 从而根据比较审敛法的推论可知, 级数p n n11∑∞=当1p >时收敛.综上所述, p -级数p n n11∑∞=当1p >时收敛, 当1p ≤时发散.例2 证明级数∑∞=+1)1(1n n n 是发散的. 证因为11)1(1)1(12+=+>+n n n n ,而级数11 3121111⋅⋅⋅+++⋅⋅⋅++=+∑∞=n n n 是发散的,根据比较审敛法可知所给级数也是发散的.定理 2.3 (比较审敛法的极限形式) 设∑∞=1n n u 和∑∞=1n n v 都是正项级数, 0n v ≠,且l v u nnn =∞→lim, 则(1) 当0l ≤<+∞时, 级数∑∞=1n n v 与∑∞=1n n u 同时收敛或同时发散;(2) 当0l =时, 若级数∑∞=1n n v 收敛, 则级数∑∞=1n n u 收敛; 若∑∞=1n n u 发散, 则∑∞=1n nv 发散.(3) 当l =+∞时, 若级数∑∞=1n n v 发散, 则级数∑∞=1n n u 发散; 若∑∞=1n n u 收敛, 则∑∞=1n nv 收敛.例3 判别级数∑∞=11sin n n 的收敛性.解因为111sin lim=∞→nn n , 而级数∑∞=11n n发散, 根据比较审敛法的极限形式, 级数∑∞=11sin n n 发散.例4 判别级数∑∞=+12)11ln(n n 的收敛性. 解因为11)11ln(lim22=+∞→nn n , 而级数211n n ∑∞=收敛, 根据比较审敛法的极限形式, 级数∑∞=+12)11ln(n n 收敛. 定理 2.4 (比值审敛法, 达朗贝尔判别法) 设∑∞=1n n u 为正项级数, 对任意1n ≥, 有ρ=+∞→nn n u u 1lim, 则(1) 当01ρ≤<时, 级数∑∞=1n n u 收敛;(2) 当1ρ>时, 级数∑∞=1n n u 发散;(3) 当1ρ=时, 级数∑∞=1n n u 可能收敛也可能发散.例5 证明级数 )1( 3211 3211211111⋅⋅⋅+-⋅⋅⋅⋅⋅+⋅⋅⋅+⋅⋅+⋅++n 是收敛的. 解因为101lim 321)1( 321lim lim 1<==⋅⋅⋅⋅⋅-⋅⋅⋅⋅⋅=∞→∞→+∞→nn n u u n n n n n , 根据比值审敛法可知所给级数收敛.例6 判别级数10! 10321102110132⋅⋅⋅++⋅⋅⋅+⋅⋅+⋅+nn 的收敛性.解因为∞=+=⋅+=∞→+∞→+∞→101lim ! 1010)!1(lim lim11n n n u u n nn n n n n ,根据比值审敛法可知所给级数发散. 例7 判别级数∑∞∞→⋅-n n n 2)12(1的收敛性.解 1)22()12(2)12(lim lim1=+⋅+⋅-=∞→+∞→n n nn u u n n n n .这时1ρ=, 比值审敛法失效, 必须用其它方法来判别级数的收敛性.因为212)12(1n n n <⋅-, 而级数211nn ∑∞=收敛, 因此由比较审敛法可知所给级数收敛.定理 2.5 (根值审敛法, 柯西判别法) 设∑∞=1n n u 是正项级数, 且ρ=∞→n n n u l i m , 则(1) 当01ρ≤<时, 级数∑∞=1n n u 收敛;(2) 当1ρ>时, 级数∑∞=1n n u 发散;(3) 当1ρ=时, 级数∑∞=1n n u 可能收敛也可能发散.例8 证明级数1 3121132⋅⋅⋅++⋅⋅⋅+++nn 是收敛的, 并估计以级数的部分和n s 近似代替和s 所产生的误差.解因为01lim 1lim lim ===∞→∞→∞→n n u n n n n n n n , 所以根据根值审敛法可知所给级数收敛.以这级数的部分和n s 近似代替和s 所产生的误差为)3(1)2(1)1(1||321⋅⋅⋅++++++=+++n n n n n n n r )1(1)1(1)1(1321⋅⋅⋅++++++<+++n n n n n n + n n n )1(1+=.例9 判定级数∑∞=-+12)1(2n n n的收敛性.解因为21)1(221lim lim =-+=∞→∞→n n n n n n u ,所以, 根据根值审敛法知所给级数收敛.定理 2.6 (极限审敛法) 设∑∞=1n n u 为正项级数,(1) 当lim 0(lim )n n n n nu l nu →∞→∞=>=+∞包括时, 则级数∑∞=1n n u 发散; (2) 当1ρ>, 而)0( lim +∞<≤=∞→l l u n n pn时, 则级数∑∞=1n n u 收敛. 例10 判定级数∑∞=+12)11ln(n n 的收敛性. 解因为)(1~)11ln(22∞→+n n n , 故11lim )11ln(lim lim 22222=⋅=+=∞→∞→∞→n n n n u n n n n n ,根据极限审敛法, 知所给级数收敛.例11 判定级数)cos 1(11n n n π-+∑∞=的收敛性.解因为222232321)(211lim )cos 1(1limlimπππ=⋅+=-+=∞→∞→∞→n n n n n n n u n n n nn ,根据极限审敛法, 知所给级数收敛.定理 2.7 (积分审敛法) 设∑∞=1n n u 为正项级数, ()f x 是[1,)+∞上的单调递减连续函数, 且对任意自然数1n ≥有,()n f n u =则级数∑∞=1n n u 收敛的充分必要条件是广义积分1()d f x x +∞⎰收敛.例12 判定级数21ln n n n ∞=∑的收敛性. 解设1(),[2,)ln f x x x x=∈+∞,在此定义区间中, ()f x 单调递减连续, 且1(),(2,3,)ln n f n u n n n===, 由于221d ln |ln |ln ln 2ln x x x x+∞+∞==+∞-=+∞⎰,即广义积分21d ln x x x +∞⎰发散, 所以原级数21ln n n n∞=∑发散.二、交错级数及其审敛法定义 2.2 常数项级数的各项依次正负相间, 就称该级数为交错级数. 它的一般形式如下:∑∞=--11)1(n n n u , 其中0>n u .例如,1)1(11∑∞=--n n n 是交错级数, 但 cos 1)1(11∑∞=---n n n n π不是交错级数.下面给出关于交错级数的一个审敛法.定理 2.8 (莱布尼茨定理) 如果交错级数∑∞=--11)1(n n n u 满足条件:(1) 1n n u u +≥, (,1,2,n =);(2) 0lim =∞→n n u , 则级数收敛, 且其和1s u ≤, 其余项满足1||n n r u +≤.例13 证明级数 1)1(11∑∞=--n n n 收敛, 并估计其和及余项.证这是一个交错级数. 而且该级数满足(1)1111+=+>=n n un n u (,1,2,n =), (2)01limlim ==∞→∞→nu n n n ,由莱布尼茨定理, 该级数是收敛的, 且其和s <u 1=1, 余项11||1+=≤+n u r n n .三、绝对收敛与条件收敛现在我们讨论一般的级数121nn n uu u u ∞==++++∑,它的各项为任意实数.定义 2.3 若级数1n n u ∞=∑各项的绝对值所构成的级数∑∞=1||n n u 收敛, 则称级数∑∞=1n n u 绝对收敛; 若级数∑∞=1n n u 收敛, 而级数∑∞=1||n n u 发散, 则称级∑∞=1n n u 条件收敛.例14 级数∑∞=--1211)1(n n n 是绝对收敛的,而级数∑∞=--111)1(n n n 是条件收敛的. 定理 2.9 如果级数∑∞=1n n u 绝对收敛, 则级数∑∞=1n n u 必定收敛.注意如果级数∑∞=1||n n u 发散, 我们不能断定级数∑∞=1n n u 也发散. 但是, 如果我们用比值法或根值法判定级数∑∞=1||n n u 发散, 则我们可以断定级数∑∞=1n n u 必定发散. 这是因为, 此时|u n |不趋向于零, 从而u n 也不趋向于零, 因此级数∑∞=1n n u 也是发散的.例15 判别级数∑∞=12sin n n na的收敛性. 解因为|221|sin n n na ≤, 而级数211n n ∑∞=是收敛的, 所以级数∑∞=12|sin |n n na 收敛, 从而级数∑∞=12sin n n na绝对收敛. 例16 判别级数∑∞=+-12)11(21)1(n n nnn 的收敛性. 解由2)11(21||n n n n u +=,有11lim(1)122n n n e n →∞=+=>, 可知0lim ≠∞→n n u , 因此级数∑∞=+-12)11(21)1(n n nnn 发散.§3 幂级数【目的要求】1、了解幂级数的基本概念；收敛域的定义；2、理解 Abel 定理、会求（缺项与不缺项）幂级数收敛半径、收敛区间、收敛域．【重点难点】缺项与不缺项幂级数收敛半径的求法．【教学内容】一、函数项级数的概念前面讨论的是数项级数, 它的每一项都是常数, 当级数的通项是在某一区间I 上的函数时, 就称为函数项级数, 即121()()()()nn n u x u x u x u x ∞==++++∑其中()n u x , 1,2,n =是定义在区间I 上的函数.定义 3.1 对于区间I 内的一定点0x , 若常数项级数∑∞=10)(n n x u 收敛, 则称点0x 是函数项级数∑∞=1)(n n x u 的收敛点; 若常数项级数∑∞=10)(n n x u 发散, 则称点0x 是级数∑∞=1)(n n x u 的发散点. 函数项级数∑∞=1)(n n x u 的所有收敛点的全体称为它的收敛域,所有发散点的全体称为它的发散域.定义 3.2 在函数项级数∑∞=1)(n n x u 的收敛域上, 其和是关于x 的函数()s x ,把()s x 称为函数项级数∑∞=1)(n n x u 的和函数, 并写成1()()n n s x u x ∞==∑.定义 3.3 把函数项级数∑∞=1)(n n x u 的前n 项的部分和记作()n s x , 即12()()()()n n s x u x u x u x =+++.在收敛域上有)()(lim x s x s n n =∞→. 函数项级数∑∞=1)(n n x u 的和函数()s x 与部分和()n s x 的差()()()n n r x s x s x =-叫做函数项级数∑∞=1)(n n x u 的余项. 在函数项级数∑∞=1)(n n x u 的收敛域上有0)(lim =∞→x r n n . 例如, 幂级数1211n n n xx x x ∞-==+++++∑可以看成是公比为x 的几何级数.当||1x <时, 该级数是收敛的; 当||1x ≥时, 该级数是发散的. 因此, 该级数的收敛域为(1,1)-, 在收敛域内有和函数11132⋅⋅⋅++⋅⋅⋅++++=-n x x x x x.二、幂级数及其收敛域我们不讨论一般的函数项级数, 而是就()n u x 为0()n n a x x -的情形, 即下面要定义的幂级数来展开讨论. 幂级数在函数逼近理论及数值计算中有广泛的应用. 定义 3.4 形如01001()()()n nn n n a x xa a x x a x x∞=-=+-++-+∑ (1)的级数称为0()x x -的幂级数, 其中0x R ∈为常数, 012,,,,,n a a a a 均为实常数,称为幂级数的系数.注意当00x =时, 幂级数的一般形式(1)就称为011()nn nn n a x x a a x a x ∞=-=++++∑, (2)式(2)称为x 的幂级数. 因为只要令0t x x =-, 就可把式(1)化为式(2), 所以不失一般性, 我们讨论幂级数(2)的收敛性问题.定理 3.1 (阿贝尔定理) 若幂级数∑∞=0n n n x a 在0(0)x x =≠处收敛, 则对满足不等式0||||x x <的任何x , 该幂级数绝对收敛. 反之, 若幂级数∑∞=0n n n x a 在0x x =处发散, 则对满足不等式0||||x x >的任何x , 该幂级数发散.定理 3.1 告诉我们, 如果幂级数在0x x =处收敛, 则它在开区间00(||,||)x x -内都收敛, 且绝对收敛; 如果幂级数在0x x =处发散, 则它在区间0(,||)x -∞-和0(||,)x +∞上都发散. 这表明, 幂级数在收敛域中除了零点外, 还有非零的收敛点时,发散点不可能处在零点和非零收敛点之间. 也就是说, 幂级数的收敛域一定是个包含0x =的连续区间, 且除了端点之外, 这个区间是关于原点对称的. 从而, 我们得到如下重要的推论: 推论如果幂级数∑∞=0n n n x a 不是仅在点0x =一点收敛, 也不是在(,)-∞+∞上都收敛, 则必存在一个完全确定的正数R , 使得 (1) 当||x R <时, 幂级数绝对收敛; (2) 当||x R >时, 幂级数发散;(3) 当||x R =时, 幂级数可能收敛, 也可能发散. 正数R 通常叫做幂级数∑∞=0n n n x a 的收敛半径. 开区间(,)R R -叫做幂级数∑∞=0n n n x a 的收敛区间. 再由幂级数在x R =±处的敛散性就可以决定它的收敛域.幂级数∑∞=0n n n x a 的收敛域为(,)R R -, [,)R R -, (,]R R -, [,]R R -四种形式之一.注意若幂级数∑∞=0n n n x a 仅在0x =处收敛, 此时收敛域中只有一点0x =, 规定此时幂级数的收敛半径0R =, 若幂级数∑∞=0n n n x a 对一切x 都收敛, 则规定收敛半径R =+∞, 收敛域为(,)-∞+∞.关于幂级数收敛半径的求法, 有如下定理:定理 3.2 如果幂级数0(0)nn n n a x a ∞=≠∑相邻两项的系数满足ρ=+∞→||lim 1nn n a a , 则该幂级数的收敛半径⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+∞=≠=∞+=ρρρρ 00 10 R .证考察幂级数的各项绝对值所构成的级数0||nn n a x ∞=∑, 因为 || ||||lim ||lim 111x x a a x a x a n n n nn n n n ρ=⋅=+∞→++∞→. 所以由正项级数比值审敛法, 可知(1) 若0ρ<<+∞, 则当||1x ρ<时, 幂级数∑∞=0n n n x a 绝对收敛; 当||1x ρ>时,幂级数∑∞=0n nn x a 发散, 所以幂级数∑∞=0n n n x a 的收敛半径ρ1=R .(2) 若0ρ=, 则对任何0x ≠, 有||01x ρ=<,幂级数∑∞=0n n n x a 在(,)-∞+∞绝对收敛, 所以幂级数∑∞=0n n n x a 的收敛半径R =+∞.(3) 若ρ=+∞, 则对除0x =外的其它一切x , ||1x ρ=+∞>,幂级数∑∞=0n nn x a 都发散,所以幂级数∑∞=0n n n x a 的收敛半径0R =.例1 求幂级数)1( 32)1(13211⋅⋅⋅+-+⋅⋅⋅-+-=--∞=-∑n x x x x n x n n n nn 的收敛半径与收敛域.解因为1111lim ||lim 1=+==∞→+∞→nn a a n n n n ρ, 所以收敛半径为11==ρR .当1x =时, 幂级数成为∑∞=--111)1(n n n , 是收敛的;当1x =-时, 幂级数成为∑∞=-1)1(n n , 是发散的.因此, 该幂级数的收敛域为(1,1]-. 例2 求幂级数23011111!2!3!!n nn x x x x x n n ∞==++++++∑的收敛域.解因为11!(1)!lim || lim lim 01(1)!!n n n n n a n n a n n ρ+→∞→∞→∞+====+,所以收敛半径为R =+∞, 从而收敛域为(,)-∞+∞. 例3 求幂级数0!nn n x ∞=∑的收敛半径.解因为1(1)!lim || lim !n n n n a n a n ρ+→∞→∞+===+∞, 所以收敛半径为0R =, 即级数仅在0x =处收敛.例4 求幂级数220(2)!(!)nn n x n ∞=∑的收敛半径. 解由于该级数缺少奇次幂的项, 定理3.2 不适用. 我们可直接根据比值审敛法来求收敛半径:幂级数的一般项记为22(2)!()(!)n n n u x x n =. 且21()lim 4||()n n n u x x u x +→∞=, 于是当24||1x <即21||<x 时, 原级数收敛; 当24||1x >即21||>x 时, 原级数发散, 所以收敛半径为21=R .例5 求幂级数∑∞=-12)1(n n nnx 的收敛域.解令1t x =-, 原级数变为∑∞=12n n nnt . 因为 21)1(22 ||lim 11=+⋅⋅==++∞→n n a a n n n n nρ, 所以收敛半径2R =, 收敛区间(2,2)t ∈-.当2t =时, 原级数化为∑∞=11n n , 该级数发散; 当2t =-时, 原级数化为∑∞=-1)1(n n,该级数收敛. 因此级数∑∞=12n n nnt 的收敛域为[2,2)t ∈-. 所以原级数的收敛域为[1,3)x ∈-.三、幂级数的性质及运算设幂级数∑∞=0n nn xa 及∑∞=0n nn x b 分别在区间11(,)R R -及22(,)R R -内收敛, 且12'min(,)R R R =, 则有如下计算法则:(1) 加减法:0(),(',')nnn nnnn n n n a x b x ab x x R R ∞∞∞===±=±∈-∑∑∑;(2) 乘法: 01100()()(),(',')nnn n n n n n n n n a x b x a b a b a b x x R R ∞∞∞-===⋅=+++∈-∑∑∑.设幂级数∑∞=0n n n x a 在收敛域(,)R R -内的和函数为()s x , 则有如下性质:性质1 幂级数∑∞=0n n n x a 的和函数()s x 在其收敛域(,)R R -内连续.性质2 幂级数∑∞=0n n n x a 的和函数()s x 在其收敛域(,)R R -内可积, 并且有逐项积分公式∑∑⎰⎰∑⎰∞=+∞=∞=+===0100001)()(n n n n xnn xn nn x x n a dx x a dx x a dx x s (,)x R R ∈-, 逐项积分后所得到的幂级数和原幂级数有相同的收敛半径.性质3 幂级数∑∞=0n n n x a 的和函数()s x 在其收敛域(,)R R -内可导, 并且有逐项求导公式∑∑∑∞=-∞=∞=='='='110)()()(n n n n nn n nn x na x a x a x s (,)x R R ∈-,逐项求导后所得到的幂级数和原幂级数有相同的收敛半径.注意经过逐项可导或逐项积分后, 所得的幂级数的收敛半径虽然不变, 但端点的敛散性却会有所变化, 故需另作判断.利用我们已知的一些幂级数的和函数以及幂级数可以逐项求导和逐项积分的运算规则可以求出一些幂级数的和函数. 例6 求幂级数∑∞=+011n nx n 的和函数.解求得幂级数∑∞=+011n nx n 的收敛域为[1,1)-. 设幂级数∑∞=+011n n x n 的和函数为()s x , 即∑∞=+=011)(n n x n x s , [1,1)x ∈-. 显然,(0)1s =.在∑∞=++=0111)(n n x n x xs 的两边求导得x x x n x xs n n n n -=='+='∑∑∞=∞=+11)11(])([001. 对上式从0到x 积分, 得)1l n (11)(0x dx x x xs x --=-=⎰. 于是, 当0x ≠时, 有)1ln(1)(x xx s --=. 从而⎪⎩⎪⎨⎧=<<--=0 11||0 )1ln(1)(x x x x x s .有幂级数的和函数的连续性可知, 这里和函数()s x 在0x =是连续的, 我们不难验证:00011lim ()lim ln(1)lim 1(0)1x x x s x x s x x →→→-⎡⎤⎛⎫=--=-== ⎪⎢⎥-⎣⎦⎝⎭注意: 幂级数0nn x ∞=∑在1x =-发散, 而∑∞=+011n n x n 在1x =-收敛.例7 求级数∑∞=+-01)1(n nn 的和.解考虑幂级数∑∞=+011n nx n , 该级数在[1,1)-上收敛, 设其和函数为()s x , 则∑∞=+-=-01)1()1(n nn s .在例6中已得到1()ln(1)s x x x =-- , 于是(1)ln 2s -=, 即0(1)ln 21n n n ∞=-=+∑.§4 函数展开成幂级数【目的要求】1、了解函数的泰勒级数；2、熟练掌握用间接法展开函数为幂级数．【重点难点】间接法展开函数为幂级数．【教学内容】一、泰勒级数前面我们讨论了幂级数所确定的和函数的性质. 下面讨论相反的问题, 即给定函数()f x , 能否找到一个幂级数, 该幂级数在某区间内收敛, 且其和函数恰好就是给定的函数()f x . 如果能找到这样的幂级数, 我们就说, 函数()f x 在该区间内能展开成幂级数, 而该幂级数在收敛区间内就表达了函数f(x).定义 4.1 若函数()f x 在点0x 的某邻域内具有1n +阶导数, 则在该邻域内的任意一点x , 有200000()()()()()() 2!f x f x f x f x x x x x '''=+-+-+)()(!)(00)(x R x x n x f n n n +-+, (1)其中10)1()()!1()()(++-+=n n n x x n f x R ξ(ξ介于x 与0x 之间). 式(1)称为()f x 在0x x =处的n 阶泰勒公式, ()n R x 称为泰勒公式的余项, 而()20000000()()()()()()()()2!!n n n f x f x P x f x f x x x x x x x n '''=+-+-++- (2)称为()f x 在0x x =处的n 阶泰勒多项式. 当n →∞时, ()f x 在0x x =处的n 阶泰勒多项式(2)就化为幂级数()200000000()()()()()()()!2!n n n f x f x x x f x f x x x x x n ∞='''-=+-+-+∑()00()()!n n f x x x n +-+(3)幂级数(3)称为函数()f x 在0x x =处的泰勒级数. 显然, 当0x x =时, ()f x 的泰勒级数收敛于0()f x .()f x 在00x =处的泰勒级数()()200()(0)(0)(0)(0) !2!!n n n nn f x f f x f f x x x n n ∞='''=+++++∑称为()f x 的麦克劳林级数.当()f x 在点0x 的某一领域具有任意阶导数时, ()f x 在点0x 处总可以写出对应的泰勒级数, 但该级数是否收敛? 若收敛,是否一定以()f x 为和函数? 为此, 我们不加证明的给出如下定理.定理 4.1 设函数()f x 在点0x 的某一邻域0()U x 内具有任意阶导数, 则()f x 在该邻域0()U x 内能展开成泰勒级数的充分必要条件是()f x 的泰勒公式(1)中的余项()n R x 满足:))(( 0)(lim 0x U x x R n n ∈=∞→.注意函数的麦克劳林级数是x 的幂级数, 如果()f x 能展开成x 的幂级数, 那么这种展开式是唯一的, 它一定等于()f x 的麦克劳林级数. 但是, 反过来如果()f x 的麦克劳林级数在点00x =的某邻域内收敛, 它却不一定收敛于()f x . 因此, 如果()f x 在点00x =处具有各阶导数, 则()f x 的麦克劳林级数虽然能写出来, 但这个级数是否在某个区间内收敛, 以及是否收敛于()f x 却需要进一步考察.二、函数展开成幂级数把一个给定函数()f x 展开成x 的幂级数一般有直接法和间接法两种方法. 1. 直接展开法按下列步骤把给定函数()f x 展开成x 的幂级数的方法叫直接展开法: (1) 计算()f x 的各阶导数及其在0x =处的导数值: ()()()(0)n n f x f 和; (2) 写出麦克劳林级数()00()!n nn f x x n ∞=∑, 并求出收敛半径R . (3) 考察在收敛区间()f x 内, 余项的极限lim ()0n n R x →∞=是否成立. 如果成立, 则()f x 在(,)R R -内有展开式()2(0)(0)()(0)(0)2!!n n f f f x f f x x x n '''=+++++(,)x R R ∈-.例1 将函数()x f x e =展开成x 的幂级数. 解因为()()n x f x e =, 因此()(0)1,1,2,n f n == . 于是得级数20111!2!!n nn x x x x n n ∞==++++∑,它的收敛半径R =+∞.对于任何有限的数x , ξ (ξ介于0与x 之间), 有11|||||()| (1)!(1)!n n x n e x R x x e n n ξ++=<⋅++, 由于||x e 有限, 且1||(1)!n x n ++时收敛级数10||(1)!n n x n +∞=+∑的一般项, 0)!1(||lim1=++∞→n x n n , 所以0|)(|lim =∞→x R n n , 从而有展开式2111 ()2!!x ne x x x x n =+++++-∞<<+∞.例2 将函数()sin f x x =展开成x 的幂级数.解因为)2sin()()(π⋅+=n x x f n , 1,2,n =, 于是得级数⋅⋅⋅+--+⋅⋅⋅-+--- )!12()1( !5!312153n x x x x n n , 它的收敛半径为R =+∞.对于任何有限的数x , ξ (ξ介于0与x 之间), 有11(1)s i n []||2|()| 0,(0)(1)!(1)!n n n n x R x x n n n πξ++++=≤→→++.因此得展开式35211s i n(1)()3!5!(21)!n n x x x x x x n --=-+-+-+-∞<<+∞-. 我们还可以证明2(1)(1) (1)(1)1 (11)2!!n n x x x x x n ααααααα--⋅⋅⋅-++=+++++-<<.2. 间接展开法:例3 将函数()cos f x x =展开成x 的幂级数. 解已知35211s i n(1)()3!5!(21)!n n x x x x x x n --=-+-+-+-∞<<+∞-.对上式两边求导得242c o s1 (1) ()2!4!(2)!n nx x x x x n =-+-+-+-∞<<+∞.例4 将函数211)(x x f +=展开成x 的幂级数.解因为211 (11)1n x x x x x =+++++-<<-, 把x 换成2x -, 得242211 (1) (11)1n n x x x x x=-+-+-+-<<+.注: 收敛半径的确定: 由211x -<-<得11x -<<. 例5 将函数()ln(1)f x x =+展开成x 的幂级数.解因为xx f +='11)(,而x +11是收敛的等比级数∑∞=-0)1(n n n x (11)x -<<的和函数:2311 (1) 1n n x x x x x=-+-++-++.所以将上式从0到x 逐项积分, 得 2341l n (1) (1)(11)2341n nx x x x x x x n ++=-+-+⋅⋅⋅+-+⋅⋅⋅-<<+. 上述展开式对1x =也成立, 这是因为上式右端的幂级数当1x =时收敛, 而ln(1)x +在1x =处有定义且连续.所以, )11( 1)1( 432)1ln(1432≤<-⋅⋅⋅++-+⋅⋅⋅+-+-=++x n x x x x x x n n 例6 将函数341)(2++=x x x f 展开成(1)x -的幂级数.解因为)411(81)211(41)3(21)1(21)3)(1(1341)(2-+--+=+-+=++=++=x x x x x x x x x f∑∑∞=∞=-----=004)1()1(812)1()1(41n n nn n n n n x x)31( )1)(2121()1(0322<<----=∑∞=++x x n n n n n . 常用展开式:)11( 1112<<-⋅⋅⋅++⋅⋅⋅+++=-x x x x xn ,2111 ()2!!x n e x x x x n =+++++-∞<<+∞,)( )!12()1( !5!3sin 12153+∞<<-∞⋅⋅⋅+--+⋅⋅⋅-+-=--x n x x x x x n n , )( )!2()1( !4!21cos 242+∞<<-∞⋅⋅⋅+-+⋅⋅⋅-+-=x n x x x x n n , )11( 1)1( 432)1ln(1432≤<-⋅⋅⋅++-+⋅⋅⋅+-+-=++x n x x x x x x n n , 2(1)(1)12!x x x αααα-+=+++(1) (1)(11)!nn x x n ααα--+++-<<.三、函数的幂级数展开式的应用函数的幂级数展开式可用于某些函数的近似计算, 即在展开式的收敛域内, 利用这个级数按精确度要求计算出函数值的近似值. 例7 计算5240的近似值, 要求误差不超过0.0001.解 15413(1)3==-,所以在二项展开式中取15α=, 431-=x , 即得) 31!3594131!254131511(32401238245⋅⋅⋅-⋅⋅⋅⋅-⋅⋅⋅-⋅-=.这个级数收敛很快. 取前两项的和作为5240的近似值, 其误差(也叫做截断误差)为)31!451494131!3594131!2541(3||164123822⋅⋅⋅+⋅⋅⋅⋅⋅+⋅⋅⋅⋅+⋅⋅⋅=r] )811(8111[31!25413282⋅⋅⋅+++⋅⋅⋅⋅<200001402725181111312568<⋅⋅=-⋅⋅=. 于是取近似式为)31511(324045⋅-≈,为了使“四舍五入”引起的误差(叫做舍入误差)与截断误差之和不超过10-4, 计算时应取五位小数, 然后四舍五入. 因此最后得9926.22405≈. 例8 利用3!31sin x x x -≈ 求sin 9的近似值, 并估计误差.解首先把角度化成弧度,91809⨯=π (弧度)20π=(弧度),从而()320!312020sin πππ-≈ . 其次, 估计这个近似值的精确度. 在sin x 的幂级数展开式中令20π=x , 得20!7120!5120!312020sin 753⋅⋅⋅+⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛-=πππππ.等式右端是一个收敛的交错级数, 且各项的绝对值单调减少. 取它的前两项之和作为20sin π的近似值, 误差为3000001)2.0(120120!51||552<⋅<⎪⎭⎫ ⎝⎛≤πr . 因此取 157080.020≈π, 003876.0203≈⎪⎭⎫ ⎝⎛π于是得 s i n 90.156≈. 这时误差不超过510-.例9 计算积分10sin d xx x ⎰的近似值, 要求误差不超过0.0001. 解由于1sin lim 0=→x x x , 因此所给积分不是广义积分. 如果定义被积函数在0x =处的值为1, 则它在积分区间[0,1]上连续. 展开被积函数, 有)( !7!5!31s i n 642+∞<<-∞⋅⋅⋅+-+-=x x x x x x .在区间[0,1]上逐项积分, 得!771!551!3311si n 10⋅⋅⋅+⋅-⋅+⋅-=⎰dx x x .因为第四项300001!771<⋅,所以取前三项的和作为积分的近似值: 9461.0!551!3311si n 10=⋅+⋅-≈⎰dx x x .。

121常数项级数的概念和性质课件

n1
5 n(n
1)
1 2n
5
1
6.
性质 3 若级数 un 收敛,则 un 也收敛
n1
n k 1
(k 1).且其逆亦真.
证明 uk1 uk2 ukn n uk1 uk2 ukn
snk sk ,
则
lim
n
n
lim
n
sn
k
lim
n
sk
s
sk
.
类似地可以证明在级数前面加上（或去掉）
发散
当q 1时, 级数变为a a a a
lim
n
sn不存在
发散
综上
n0
aq
n
当q 当q
1时,收敛 1时, 发散
例 2 判别无穷级数 22n31n 的收敛性.
n1
解
un 22n31n
4
4 3
n1
,
已知级数为等比级数，公比q 4 , 3
| q | 1, 原级数发散.
例 3 判别无穷级数
1(4) 39
1 (4)2 39
Байду номын сангаас
1 (4)n2 ]} 39
n 2,3,
于是有
lim
n
Pn
1
lim
n
An
A1
(1
1
3
4
)
A1
(1
3) 5
2 3. 5
9
雪花的面积存在极限（收敛）．
结论：雪花的周长是无界的，而面积有界．
例 1 讨论等比级数(几何级数)
aqn a aq aq2 aqn (a 0)
例7. 利用柯西审敛原理判别级数
解: 对任意 p Z , 有

第一部分常数项级数的概念与质教学课件

即 lim n
Sn
S，则称级数收敛，此时称S为该级数的和，
记为
S u1 u2 un
如果部分和数列的极限不存在，则称级数发散。
定义3：当级数
un
n 1
收敛时，其部分和Sn是级
数的和S的近似值，它们的差
rn S Sn un1 un2
称为级数的余项。
例1 判断几何级数（等比级数） aqn 的敛散性
n 1
(un vn ) un vn
n1
n1
n1
性质2 如果级数 un 收敛，则对任意常数C，
n 1
级数 Cun也收敛，且有 Cun C u限项，不改变其敛散性。
性质4 在收敛级数的项中任意加括号后所得级数仍收敛，且与原级数的和相同。
Sn a a a na (n ) 此时级数发散。
当 q 1 时
Sn
a a
(1)n a
a, 0，
n为奇数 n为偶数
当 n 时，Sn的极限不存在，故级数发散。
综上，几何级数 aqn当| q | 1时收敛，其和为
a
n0
1 q ；当| q | 1时，级数发散。
例2
判断级数 n 1
1 n(n
1)
的敛散性。
解：由于
1 n(n 1)
1 n
1, n 1
因此部分和
11
1
Sn
1 2
23
n(n 1)
(1 1 ) (1 1) ( 1 1 ) 1 1
2 23
n n1
n 1
从而
lim
n
Sn
lim (1
n
1) n 1
1,
所以级数收敛于1。

常数项级数的基本概念和性质学习教案

去掉前 k 项, 证
新级数
un
n1
n
和为
n ukl Skn Sk
l 1
同敛散，
的部分
有限项不影响级数的敛散性
故新旧级
数敛散性相同.
收敛时, 其和
σ S Sk .
第16页/共31页
第十七页，共31页。
性质
收敛级数(jíshù)加括弧后
所成的级数仍收敛于
(xìngz
hì)4 原级数(jíshù)的和.
(1)
un与 cun 敛散性相同(xiānɡtónɡ)
n1
n1
(2) 收敛级数(jíshù)可以逐项相加，
（c 0）；
(3) 级数 (4) 收敛级数加括弧后
有限项,
仍收敛于原级数的和.
不影响其敛散性.
(5) 级数收敛的
: 一般项的极限为零
第30页/共31页
第三十一页，共31页。
0,
不存在 ,
因此级数发散.
a
qn
n0
等比级数
结论：
等比级数
时收敛,
q 1
时发散 .
q 1
第8页/共31页
第九页，共31页。
例2
判别(pànbié)级数
的敛散性.
解
部分(bùf en)和
ln
n
1
n1 n
Sn
ln 2 1
ln 3 2
ln 4 3
ln n 1 n
拆项相消
(ln 2 ln1) (ln 3 ln 2) ln(n 1) ln n
…
1 9
1
1246
1 16
1 16
1, 2
23 8 项

常数项级数课程设计

常数项级数课程设计一、课程目标知识目标：1. 掌握常数项级数的概念，理解其构成要素及特点；2. 学会运用常数项级数的性质，进行级数求和及收敛性判断；3. 了解常数项级数在实际问题中的应用，如数列极限、幂级数等。

技能目标：1. 能够正确表示常数项级数，并进行简化；2. 熟练运用比较判别法、比值判别法等判断常数项级数的收敛性；3. 能够运用常数项级数的性质解决实际问题，提高数学建模能力。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对数学学科的兴趣，激发学习热情；2. 培养学生严谨、细致的学习态度，提高数学素养；3. 培养学生的团队协作意识，学会与他人分享、交流学术观点。

本课程针对高中年级学生，结合常数项级数的知识特点，注重理论联系实际，提高学生的数学思维能力和实际问题解决能力。

课程目标具体、可衡量，有助于学生和教师明确课程预期成果，为教学设计和评估提供依据。

在教学过程中，教师需关注学生的个体差异，因材施教，使学生在掌握知识的同时，提高综合素质。

二、教学内容本章节教学内容主要包括以下三个方面：1. 常数项级数的概念与性质- 级数的定义及构成要素；- 常数项级数的收敛与发散概念；- 常数项级数的性质，如交换律、结合律等。

2. 常数项级数的求和与收敛性判断- 级数求和的方法，如错位相减法、部分和法等；- 比较判别法、比值判别法的应用；- 收敛性判断的其他方法，如积分判别法等。

3. 常数项级数在实际问题中的应用- 数列极限与级数的关系；- 幂级数的概念及其收敛半径；- 常数项级数在物理、经济等领域的应用实例。

教学内容参考教材相关章节，结合课程目标进行合理安排和进度调整。

在教学过程中，注重引导学生掌握级数的基本概念和性质，培养学生的收敛性判断能力，以及将常数项级数应用于解决实际问题的能力。

同时，关注学生对知识点的掌握情况，及时调整教学方法和进度，确保教学内容科学、系统、高效。

三、教学方法针对常数项级数的教学内容，采用以下多样化的教学方法，以激发学生的学习兴趣和主动性：1. 讲授法：以教师为主导，系统地讲解常数项级数的基本概念、性质和求和判断方法。

常数项级数的概念和性质

一、问题的提出
1. 计算圆的面积正六边形的面积 a1 正十二边形的面积 a1 a2
n 正 3 2 形的面积 a1 a2 an
R
即 A a1 a2 an
圆的面积
A a1 a2
n
an
即 A lim an
1 举例. 0.333 3 0.3 0.03 0.003 3 3 3 3 n 10 100 1000 10 3 n n 1 10
n 2 1+2 4 8 n 0
2, 收敛；
, 发散；发散。
等比级数(几何级数)
n 2 n aq a aq aq aq ( a 0) n 0
举例
.
1 n 1 1 2 ( ) 1 ( ) ； 2 2 n 0 2 3 3 3 1 n 3 3( ) ； 2 4 8 2 n 0
当 x 1,2,3,, n, 1 1 1 y 1, , ,, , 2 3 n 1 1 1 sn 1 2 3 n
y
y 1 x

x o
1
2
3
4 n n1

n 1 dx 1
1 ln( n 1) lim sn 发散 n x n 1 n
1、常数项级数概念、性质及其审敛法； 2、幂级数的概念及其收敛性； 3、函数展开成幂级数及其幂级数展开式的应用； 4、傅里叶级数（正弦级数、余弦级数）的概念及函数展开成傅里叶级数（正弦级数、余弦级数）；
基本要求：
1、理解常数项级数收敛、发散及和等概念；熟悉级数收敛的必要条件，了解常数项级数的性质，熟悉几何级数和P-级数的收敛性； 2、掌握正项级数收敛的充要条件及其审敛准则（比较审敛法、比值审敛法和根值审敛法）； 3、掌握交错级数的莱布尼兹审敛法，熟悉绝对收敛和条件收敛及一般项级数的审敛准则； 4、熟悉函数项级数的收敛域、和函数等概念；

常数项级数的概念及性质ppt课件

n
1 0，
n
n n2 n n 2
所以级数 ( n2 n n)发散.
n1
30
实际上 un 0. 的速度越快， un 收敛的可能性越大
n1
例8：判断级数
n ln
n1
n n1
的敛散性.
解答：由于 lim n ln n lim ln（ n ）n
n n 1 n n 1
1 lim ln
n1
但若二级数都发散 ,
不一定发散.
例如, 取 un (1)2n , vn (1)2n1 ,
即收敛+收敛=收敛，收敛+发散=发散，发散+发散就不一定发散
如求级数 ( 5 1 )的和.
n1 n(n 1) 2n
5
1
,
n1 n(n 1)
2n 19
n1
例 6
求级数
n1
5 n(n
1 1. 1 x x2 xn
1 x
( x ＜1)
2. 3 3 3 3 1
10 100 1000
10n
3
1
0.33333
第九章无穷级数
主要研究无限个量相加的问题，包括无限个数和无限个函数相加的问题。
常数项级数无穷级数
幂级数
3
第一节
第九章
常数项级数的概念和性质
乘以常数 c 所得级数
也收敛 , 其和为 c s .
n
n
证:
令
S n
u, k
则 n
c
u k
c
S n
,
k 1
k 1
lim n n
cs
这说明
c
u n

重庆科创职业学院教案(111常数项级数的概念和性质)

1 3

1 22

1 32

1 23

1 33

1 2n

1 3n

级数为
1
n
1

2
n

1 3n

n1
1 2n

1
3n
n1
，分别为等比级数且
q 1,1 23
∴原级数收敛
4. 1 1 1 1
3 3 33
n3
un

1 n3
0 (n )
∴原级数发散
小结与思考：
本节主要是学习了级数的概念，并根据级数的定义及其性质判别级数的敛散性．了解了收敛级数的性质.
思考：级数收敛的必要条件所起的作用是什么?
作业：
旁批栏：

1 n(n 1)

1 n

1 (n 1)
，所以
11
1
Sn 1 2 23
n(n 1)

1

1 2

1 2

1 3

1 n

1 n 1
1
1 n1
，
当
n

时
，
旁批栏：
S n
1即
n1
1 n(n 1)
1 ，所以级数收敛.和为
n1
n 1
n1
（两个收敛级数可以逐项相加与逐项相减）
性质 3 改变级数的有限项的值不改变级数的敛散性

《高等数学(下)》—教学教案第八章常数项级数的概念与性质

第八章常数项级数的概念与性质授课序号01)，将数列){}n u 中的各项用加号连接的形式n u ++常数项无穷级数，简称级数，记为1nn u∞=∑，其中是求和记号，称为下标变量，第对数列123,,,,n u u u u ，取它的前1nn i i u u =+=∑，n 项之和）.若级数的部分和数列{}n S()0n aq a ++≠()1++1n n +⎪⎭⎫ ⎝⎛+11n 的敛散性. 11n++ 的和.授课序号02n u ++，其中()n u 为任意实数，那么该级数叫做∑∞=1||nu也收敛，则称级数n 绝对收敛；2,)，则有)；则交错级数收敛，且收敛和1s u ≤.nu收敛，则任意项级数);11(1)n n-+-+是收敛的.114n nn -⋅的敛散性.授课序号03()()1n n n u x u x ∞=++=∑()01nn u x ∞=∑就是常数项级数. 的收敛点，收敛点的全体组成的数集称为()u x ∞∑的收敛域()0nn a x x +-+nn a x∞=∑，因此不失一般性，我们仅讨论这个形，则幂级数称为一个常数项级数a ∞∑n n a x ++，n n b x ++22,)R R -，其和函数分别为11(,),x R R ∈-0110(),(,).n n n n a b a b a b x x R R -+++++∈-（和函数的连续性）设幂级数0nn n a x∞=∑的收敛域为区间I ，则它的和函数授课序号04,cos ,sin ,nx nx该三角函数系中的任何不同的两个函数的乘积的在[]π,π-上的积分等于零.1,2,n =就叫做的傅里叶级数.1,2,，，即只含有正弦项的傅里叶级数；，余弦级数，即只含有常数项及余弦项的傅里叶级数Dirichlet）充分条件），1,2,.的周期函数，它在。

常数项级数的概念与性质教案

时间---------月---------日星期----------------- 课题§12-1 常数项级数的概念与性质教学目的 1．数项级数收敛、发散以及收敛级数的和的概念. 2．掌握级数的基本性质及收敛的必要条件. 教学重点级数收敛与发散概念，尤其是级数收敛的必要条件. 教学难点用级数收敛性及基本性质判别一些级数收敛性问题. 课型专业基础课教法选择讲授教学过程教法运用及板书要点一．常数项级数的概念通过实际的例子（学生原有的知识背景：计算圆的面积），抽象内容和具体例子的结合，比较自然地引入级数的基本概念定义1 设有数列u 1,u 2,…,u n …，称121nn n uu u u ∞==++++∑为常数项级数，简称常数项级数。

其中u n 称为级数的通项(或一般项或第n 项);1nn kk S u==∑称为级数的部分和(或前n 项和);{S n }称为级数的部分和数列. 由部分和数列{S n }的敛散性有: 定义 2 若数项级数1nn u∞=∑的部分和数列{}n S 有极限，且极限值为s ，即∞→n lim S n =s ，则称级数1n n u ∞=∑收敛，极限值s 称为此级数的和,此时s=∑∞=1n u n = u 1+u 2+…+u n +…当lim n n S →∞不存在时，则称级数1nn u∞=∑发散．当级数收敛时，其部分和错误!未找到引用源。

与级数的和S 近似相等，它们的差S －错误!未找到引用源。

称为级数的余项，记为例1 讨论如下几何级数（又称为等比级数）的敛散性。

此表2学时填写一份，“教学过程”不足时可续页解如果错误!未找到引用源。

，则部分和为当错误!未找到引用源。

时，错误!未找到引用源。

，几何级数收敛；当错误!未找到引用源。

时，错误!未找到引用源。

，所以错误!未找到引用源。

，几何级数发散；当错误!未找到引用源。

时，错误!未找到引用源。

，所以错误!未找到引用源。

01-第1讲常数项级数的概念

关于调和级数：当n越来越大时，调和级数的项变得越来越小，然而，慢慢地——非常慢慢地——它的和将增大并超过任何一个有限值。调和级数的这种特性使一代又一代的数学家困惑并为之着迷。下面的数字将有助于我们更好地理解这个级数。这个级数的前1000项相加约为7.485；前100万项相加约为 14.357；前10亿项相加约为21；前一万亿项相加约为 28，……。更有学者估计，为了使调和级数的和等于 100，必须把10的43次方项加起来，如果我们试图在一个很长的纸带上写下这个级数，知道它的和超过100，即使每一项只占1mm长的纸带，也必须使用10的43次方 mm长的纸带。调和级数是发散的，这是一个令人困惑的事情，事实上调和级数以令人不耐烦地慢向无穷大靠近，我们可以很容易的看到这个事实，因为S2n-Sn>1/2,而调和级数的第一项是1，也就是说调和级数的和要想达到51它需要有2的100次方那么多项才OK。而2的100次方这个项是一个大到我们能够处理范围以外的数字，在计算机科学领域，这属于一个不可解的数。
例讨论级数
解

1
n
n11 a
(a 0) 的敛散性
如果 0 < a 1 , 则由
n
lim an lim
1
n

1 , 0 a 1

1 , a 1 2
发散
1
n 1 a

1
n
n11 a
如果 a > 1 , 则由

1 n 及 ( ) 收敛 , 据比较判别法知 n 收敛 n 11 a n1 a
n
lim un 0,
故该级数发散.
例6
证明调和级数是发散的: 1 1 1 1 n 1 2 3 n . n 1

8.1 常数项级数的概念和性质

n1
但若二级数都发散,
不一定发散.
例如, 取 un (1)2n , vn (1)2n1,
性质3 在级数中去掉、增加或改变有限项不会改变
级数的敛散性.
性质4 如果级数 un 收敛，则对这级数任意加括号 n 1
后所形成的新级数仍收敛，且其和不变.
用反证法可证
若加括弧后的级数发散, 则原级数必发散.
称上式为常数项无穷级数，简称常数项级数，
其中 un 叫做级数的一般项或通项.
级数的前 n 项和
称为该级数的部分和.数列 {sn} 称为级数的部分和数列.
如果数列 {sn }
的极限存在, 则称级数
un
n 1
收敛.
则称 s 为级数的和, 记为
s un n 1
如果数列 {sn }
的极限不存在,则称级数
例3 证明调和级数的一般项趋于零,但它是发散的. 证明: 假设调和级数收敛于 s , 则
但 s2n sn
n
1
1
n
1
2
n
1
3
1 2n
n 2n
1 2
矛盾! 所以假设不真 .
1 2
1 3
1 3
1 4
1 nnΒιβλιοθήκη 1 11 1 1 ( n ） n 1
从而
lim
n
sn
1
所以该级数收敛，且其和为1.
二、收敛级数的基本性质
性质1 如果级数 un 收敛，和为s，k是一个常数， n 1
则级数kun 也收敛，并且和为ks. n1
性质2 如果级数 un 与 vn 收敛,和分别为s与σ，
un
n 1
发散
.
当级数收敛时,级数和与部分和之差

9.1常数项级数的概念与性质.doc

注：1.课程性质：思想政治理论课、公共通识课、学科共同课、专业必修课、专业选修课、公共选修课、跨专业选修课、实验课等。 2.教学方法：课堂讲授，启发式教学，课堂讨论，案例教学，研究性教学，当堂测试，提问式教学，课程论文，课程设计，学生讲授，师生互动等。 3.教学手段：多媒体教学，传统讲授，网络教学，远程教学，VCD，录相等。 4.考核方式：闭卷考试，开卷考试，课程论文，课程设计，科技作品，称为该级数的和。记做 un =S
n 1

若 lim Sn 不存在（包括极限为），则称此无穷级数发散。
n
例 1 讨论下列级数的敛散性：
（） 1
1 1 （2） ln(1 ) （3） (1) n n n 1 n( n 1) n 1 n 1
n

n 1
重要结论。例如：级数 1+2++n+

由于 lim un = lim n 0 ，故级数发散。
n n
性质
2
若
un =S, vn
n 1 n 1

，则
， R,
级数
( u
n 1

n
vn )= S+ 。
教学后记
注：一个教学单元是指一次课(2-3 学时)

特别，(i)取 =1， = 1，有 (un vn ) un vn
n 1 n 1 n 1
(ii)取 =0，有 un un
n 1 n 1

其中
un
n 1

和 n 1
v

n
都收敛。
推论：若 n1