第六章 无穷级数
一、 为什么研究级数?
芝诺悖论(阿基里斯追乌龟): 无限项求和一定不收敛吗? 级数的研究本质上是讨论无限个数值相加的收敛性问题,将复杂的函数表达为简单的幂函数之和。
二、 正项级数 (Positive Series)
正项级数指每一项 Un≥0 的级数。
1. 三大基础级数(判断收敛的标尺)
- 调和级数: ∑n=1∞n1=1+21+31+⋯+n1
- 结论: 发散。即使 n1→0,其和依然趋向无穷。
- P-级数: ∑n=1∞np1
- 当 p>1 时,收敛。
- 当 p≤1 时,发散。
- 证明思路(积分判别法): 将离散问题转化为连续问题,考查 ∫1∞xp1dx 的敛散性。
- 等比级数(几何级数): ∑n=0∞aqn
- 当 ∣q∣<1 时,收敛。
- 当 ∣q∣≥1 时,发散。
2. 常用审敛法
① 极限审敛法 (Limit Comparison Test)
设 limn→∞npUn=l (0≤l<+∞):
- 若取 p>1 且 l 存在,则 ∑Un 收敛。
- 技巧: 利用等价无穷小寻找 p。
例题: 判断 ∑n=1∞n+1(1−cosn1) 的敛散性。
解: 当 n→∞ 时,利用等价无穷小 1−cosn1∼2n21。
原级数项 Un∼n⋅2n21=2n3/21。
取 p=23,此时 p>1,故级数收敛。
② 比值审敛法 (Ratio Test / d’Alembert Test)
计算 ρ=limn→∞UnUn+1:
- ρ<1 收敛;ρ>1 发散;ρ=1 失效(需换方法)。
- 适用范围: 含有阶乘 n! 或指数 an 的项。
例题: 求 ∑n=1∞3nsin4nπ 的敛散性。
解: ρ=limn→∞3nsin4nπ3n+1sin4n+1π=limn→∞3⋅4nπ4n+1π=3⋅41=43<1。
故级数收敛。
③ 比较审敛法
利用已知敛散性的级数(如 P-级数)进行放大或缩小比较。
- 掌握尺度: nn≫n!≫an≫nk≫lnn≫1
三、 交错级数与绝对收敛
1. 莱布尼茨审敛法 (Leibniz Test)
对于交错级数 ∑(−1)n−1Un (Un>0),若满足:
- Un 单调不增:Un+1≤Un
- 极限为零:limn→∞Un=0 则级数收敛。
2. 绝对收敛与条件收敛
- 绝对收敛: ∑∣Un∣ 收敛。
- 条件收敛: ∑Un 收敛,但 ∑∣Un∣ 发散。
例题: 判断 ln21−ln31+ln41−…
解: >
-
原级数是交错级数,满足莱布尼茨条件,故收敛。
-
考察绝对值级数 ∑lnn1。由于 lnn<n,则 lnn1>n1。
-
因为 ∑n1 发散,所以 ∑lnn1 发散。
结论: 原级数为条件收敛。
四、 幂级数 (Power Series)
1. 收敛半径与区间
幂级数形式为 f(x)=∑n=0∞anxn。
- 收敛半径 R: R=limn→∞an+1an
- 收敛区间: (−R,R)。
- 注意: 端点 x=±R 处必须单独带入原式判断敛散性。
例题: 求 x−2x2+3x3−⋯+(−1)n−1nxn 的收敛域。
解: 系数 an=n(−1)n−1。 R=limn→∞∣1/(n+1)1/n∣=1。
- 当 x=1 时,级数为 1−21+31…(交错调和级数),收敛。
- 当 x=−1 时,级数为 −1−21−31…(负调和级数),发散。
- 结论: 收敛域为 (−1,1]。
五、 函数展开与和函数
1. 常见泰勒展开式 (Taylor Series)
| 函数 f(x) | 展开式 | 收敛区间 |
|---|
| ex | 1+1!x+2!x2+⋯+n!xn+… | (−∞,+∞) |
| sinx | x−3!x3+5!x5−⋯+(−1)n(2n+1)!x2n+1+… | (−∞,+∞) |
| cosx | 1−2!x2+4!x4−⋯+(−1)n(2n)!x2n+… | (−∞,+∞) |
| 1−x1 | 1+x+x2+x3+⋯+xn+… | (−1,1) |
| ln(1+x) | x−2x2+3x3−⋯+(−1)n−1nxn+… | (−1,1] |
2. 求和函数例题
例1: 求 ∑n=0∞2nxn 的和函数。
解: 这是以 2x 为公比的等比级数。
Sn=1−2x1,收敛条件为 ∣2x∣<1,即 x∈(−21,21)。
例2: 求 ∑n=0∞(1+n)xn 的和函数。
解: 观察到级数为 1+2x+3x2+…。
记 g(x)=1−x1=1+x+x2+x3+…。
对 g(x) 求导:g′(x)=(1−x1)′=(1−x)21。
恰好有 g′(x)=1+2x+3x2+…。
结论: 和函数为 f(x)=(1−x)21,收敛域为 (−1,1)。
六、 记忆技巧与拓展
- 奇偶性: 奇函数(如 sinx)展开式仅含奇次项;偶函数(如 cosx)展开式仅含偶次项。
- 拓展性: 已知 1−x1,将 x 换成 −x 即可得 1+x1 的展开式。
- 导数与原函数关系: - cosx=(sinx)′
- 1+x1=[ln(1+x)]′ 利用逐项求导或逐项积分可以方便地求出复杂级数的和函数。