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微积分-CH6-无穷级数

微积分-CH6-无穷级数,待补充摘要。

May 4, 2026 修考 8 min read

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 Un0U_n \ge 0 的级数。

1. 三大基础级数(判断收敛的标尺)

  1. 调和级数: n=11n=1+12+13++1n\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n} = 1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \dots + \frac{1}{n}
    • 结论: 发散。即使 1n0\frac{1}{n} \to 0,其和依然趋向无穷。
  2. P-级数: n=11np\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^p}
    • p>1p > 1 时,收敛
    • p1p \le 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 11xpdx\int_1^{\infty} \frac{1}{x^p} dx 的敛散性。
  3. 等比级数(几何级数): n=0aqn\sum_{n=0}^{\infty} aq^n
    • q<1|q| < 1 时,收敛
    • q1|q| \ge 1 时,发散

2. 常用审敛法

① 极限审敛法 (Limit Comparison Test)

limnnpUn=l\lim_{n\to\infty} n^p U_n = l (0l<+0 \le l < +\infty):

  • 若取 p>1p > 1ll 存在,则 Un\sum U_n 收敛。
  • 技巧: 利用等价无穷小寻找 pp

例题: 判断 n=1n+1(1cos1n)\sum_{n=1}^{\infty} \sqrt{n+1} (1 - \cos \frac{1}{n}) 的敛散性。

解:nn \to \infty 时,利用等价无穷小 1cos1n12n21 - \cos \frac{1}{n} \sim \frac{1}{2n^2}

原级数项 Unn12n2=12n3/2U_n \sim \sqrt{n} \cdot \frac{1}{2n^2} = \frac{1}{2n^{3/2}}

p=32p = \frac{3}{2},此时 p>1p > 1,故级数收敛

② 比值审敛法 (Ratio Test / d’Alembert Test)

计算 ρ=limnUn+1Un\rho = \lim_{n\to\infty} \frac{U_{n+1}}{U_n}

  • ρ<1\rho < 1 收敛;ρ>1\rho > 1 发散;ρ=1\rho = 1 失效(需换方法)。
  • 适用范围: 含有阶乘 n!n! 或指数 ana^n 的项。

例题:n=13nsinπ4n\sum_{n=1}^{\infty} 3^n \sin \frac{\pi}{4^n} 的敛散性。

解: ρ=limn3n+1sinπ4n+13nsinπ4n=limn3π4n+1π4n=314=34<1\rho = \lim_{n\to\infty} \frac{3^{n+1} \sin \frac{\pi}{4^{n+1}}}{3^n \sin \frac{\pi}{4^n}} = \lim_{n\to\infty} 3 \cdot \frac{\frac{\pi}{4^{n+1}}}{\frac{\pi}{4^n}} = 3 \cdot \frac{1}{4} = \frac{3}{4} < 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: nnn!annklnn1n^n \gg n! \gg a^n \gg n^k \gg \ln n \gg 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)n1Un\sum (-1)^{n-1} U_n (Un>0U_n > 0),若满足:

  1. UnU_n 单调不增:Un+1UnU_{n+1} \le U_n
  2. 极限为零:limnUn=0\lim_{n\to\infty} U_n = 0 则级数收敛。

2. 绝对收敛与条件收敛

  • 绝对收敛: Un\sum |U_n| 收敛。
  • 条件收敛: Un\sum U_n 收敛,但 Un\sum |U_n| 发散。

例题: 判断 1ln21ln3+1ln4\frac{1}{\ln 2} - \frac{1}{\ln 3} + \frac{1}{\ln 4} - \dots

解: >

  1. 原级数是交错级数,满足莱布尼茨条件,故收敛

  2. 考察绝对值级数 1lnn\sum \frac{1}{\ln n}。由于 lnn<n\ln n < n,则 1lnn>1n\frac{1}{\ln n} > \frac{1}{n}

  3. 因为 1n\sum \frac{1}{n} 发散,所以 1lnn\sum \frac{1}{\ln n} 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=0anxnf(x) = \sum_{n=0}^{\infty} a_n x^n

  • 收敛半径 RR R=limnanan+1R = \lim_{n\to\infty} \left| \frac{a_n}{a_{n+1}} \right|
  • 收敛区间: (R,R)(-R, R)
  • 注意: 端点 x=±Rx = \pm R 处必须单独带入原式判断敛散性。

例题:xx22+x33+(1)n1xnnx - \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{3} - \dots + (-1)^{n-1}\frac{x^n}{n} 的收敛域。

解: 系数 an=(1)n1na_n = \frac{(-1)^{n-1}}{n}R=limn1/n1/(n+1)=1R = \lim_{n\to\infty} | \frac{1/n}{1/(n+1)} | = 1

  • x=1x = 1 时,级数为 112+131 - \frac{1}{2} + \frac{1}{3} \dots(交错调和级数),收敛。
  • x=1x = -1 时,级数为 11213-1 - \frac{1}{2} - \frac{1}{3} \dots(负调和级数),发散。
  • 结论: 收敛域为 (1,1](-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)f(x)展开式收敛区间
exe^x1+x1!+x22!++xnn!+1 + \frac{x}{1!} + \frac{x^2}{2!} + \dots + \frac{x^n}{n!} + \dots(,+)(-\infty, +\infty)
sinx\sin xxx33!+x55!+(1)nx2n+1(2n+1)!+x - \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} - \dots + (-1)^n \frac{x^{2n+1}}{(2n+1)!} + \dots(,+)(-\infty, +\infty)
cosx\cos x1x22!+x44!+(1)nx2n(2n)!+1 - \frac{x^2}{2!} + \frac{x^4}{4!} - \dots + (-1)^n \frac{x^{2n}}{(2n)!} + \dots(,+)(-\infty, +\infty)
11x\frac{1}{1-x}1+x+x2+x3++xn+1 + x + x^2 + x^3 + \dots + x^n + \dots(1,1)(-1, 1)
ln(1+x)\ln(1+x)xx22+x33+(1)n1xnn+x - \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{3} - \dots + (-1)^{n-1} \frac{x^n}{n} + \dots(1,1](-1, 1]

2. 求和函数例题

例1:n=02nxn\sum_{n=0}^{\infty} 2^n x^n 的和函数。

解: 这是以 2x2x 为公比的等比级数。

Sn=112xS_n = \frac{1}{1 - 2x},收敛条件为 2x<1|2x| < 1,即 x(12,12)x \in (-\frac{1}{2}, \frac{1}{2})

例2:n=0(1+n)xn\sum_{n=0}^{\infty} (1+n)x^n 的和函数。

解: 观察到级数为 1+2x+3x2+1 + 2x + 3x^2 + \dots

g(x)=11x=1+x+x2+x3+g(x) = \frac{1}{1-x} = 1 + x + x^2 + x^3 + \dots

g(x)g(x) 求导:g(x)=(11x)=1(1x)2g'(x) = \left( \frac{1}{1-x} \right)' = \frac{1}{(1-x)^2}

恰好有 g(x)=1+2x+3x2+g'(x) = 1 + 2x + 3x^2 + \dots

结论: 和函数为 f(x)=1(1x)2f(x) = \frac{1}{(1-x)^2},收敛域为 (1,1)(-1, 1)

六、 记忆技巧与拓展

  1. 奇偶性: 奇函数(如 sinx\sin x)展开式仅含奇次项;偶函数(如 cosx\cos x)展开式仅含偶次项。
  2. 拓展性: 已知 11x\frac{1}{1-x},将 xx 换成 x-x 即可得 11+x\frac{1}{1+x} 的展开式。
  3. 导数与原函数关系: - cosx=(sinx)\cos x = (\sin x)'
    • 11+x=[ln(1+x)]\frac{1}{1+x} = [\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。