1.数项级数的判敛
1.1.定义
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无穷级数: ∑ n = 1 ∞ u n = u 1 + u 2 + ⋯ + u n + ⋯ \sum\limits_{n=1}^\infty u_n=u_1+u_2+\cdots+u_n+\cdots n=1∑∞un=u1+u2+⋯+un+⋯
-
级数的前 n n n项和: S n = u 1 + u 2 + ⋯ + u n S_n=u_1+u_2+\cdots+u_n Sn=u1+u2+⋯+un
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∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1∑∞un收敛 ⇔ lim n → ∞ S n \Leftrightarrow\lim\limits_{n\to\infty}S_n ⇔n→∞limSn存在
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∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1∑∞un收敛 ⇒ ⇍ lim n → ∞ u n = 0 \begin{matrix}\Rightarrow\\\nLeftarrow\end{matrix}\lim\limits_{n\to\infty}u_n=0 ⇒⇍n→∞limun=0
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∑ n = 1 ∞ ( u n + 1 − u n ) \sum\limits_{n=1}^\infty(u_{n+1}-u_n) n=1∑∞(un+1−un)收敛 ⇔ lim n → ∞ u n \Leftrightarrow\lim\limits_{n\to\infty}u_n ⇔n→∞limun存在
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证: S n = ( u 2 − u 1 ) + ( u 3 − u 2 ) + ⋯ + ( u n + 1 − u n ) = u n + 1 − u 1 S_n=(u_2-u_1)+(u_3-u_2)+\cdots+(u_{n+1}-u_n)=u_{n+1}-u_1 Sn=(u2−u1)+(u3−u2)+⋯+(un+1−un)=un+1−u1
故 ∑ n = 1 ∞ ( u n + 1 − u n ) \sum\limits_{n=1}^\infty(u_{n+1}-u_n) n=1∑∞(un+1−un)收敛 ⇔ lim n → ∞ S n \Leftrightarrow\lim\limits_{n\to\infty}S_n ⇔n→∞limSn存在 ⇔ lim n → ∞ u n \Leftrightarrow\lim\limits_{n\to\infty}u_n ⇔n→∞limun存在
-
1.2.判敛法
1.2.1.正项级数 ∑ n = 1 ∞ u n , u n ⩾ 0 \sum\limits_{n=1}^\infty u_n,u_n\geqslant0 n=1∑∞un,un⩾0
- 基本定理
- ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1∑∞un收敛 ⇔ { S n } \Leftrightarrow\{S_n\} ⇔{Sn}有界
- 比较判别法
- 正项级数 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1∑∞un和 ∑ n = 1 ∞ v n \sum\limits_{n=1}^\infty v_n n=1∑∞vn,从某项起有 u n ⩽ v n u_n\leqslant v_n un⩽vn,则 { ∑ n = 1 ∞ v n 收敛 ⇒ ∑ n = 1 ∞ u n 收敛 ∑ n = 1 ∞ u n 发散 ⇒ ∑ n = 1 ∞ v n 发散 \begin{cases}\sum\limits_{n=1}^\infty v_n收敛\Rightarrow \sum\limits_{n=1}^\infty u_n收敛\\\sum\limits_{n=1}^\infty u_n发散\Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty v_n发散\end{cases} ⎩ ⎨ ⎧n=1∑∞vn收敛⇒n=1∑∞un收敛n=1∑∞un发散⇒n=1∑∞vn发散
- 比较判别法的极限形式
- lim n → ∞ u n v n = { 0 ⇒ { ∑ n = 1 ∞ v n 收敛 ⇒ ∑ n = 1 ∞ u n 收敛 ∑ n = 1 ∞ u n 发散 ⇒ ∑ n = 1 ∞ v n 发散 + ∞ ⇒ { ∑ n = 1 ∞ u n 收敛 ⇒ ∑ n = 1 ∞ v n 收敛 ∑ n = 1 ∞ v n 发散 ⇒ ∑ n = 1 ∞ u n 发散 A ≠ 0 ⇒ ∑ n = 1 ∞ u n 与 ∑ n = 1 ∞ v n 同敛散 \lim\limits_{n\to\infty}\frac{u_n}{v_n}=\begin{cases}0\Rightarrow\begin{cases}\sum\limits_{n=1}^\infty v_n收敛\Rightarrow \sum\limits_{n=1}^\infty u_n收敛\\\sum\limits_{n=1}^\infty u_n发散\Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty v_n发散\end{cases}\\+\infty\Rightarrow\begin{cases}\sum\limits_{n=1}^\infty u_n收敛\Rightarrow \sum\limits_{n=1}^\infty v_n收敛\\\sum\limits_{n=1}^\infty v_n发散\Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty u_n发散\end{cases}\\A\ne0\Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty u_n与\sum\limits_{n=1}^\infty v_n同敛散\end{cases} n→∞limvnun=⎩ ⎨ ⎧0⇒⎩ ⎨ ⎧n=1∑∞vn收敛⇒n=1∑∞un收敛n=1∑∞un发散⇒n=1∑∞vn发散+∞⇒⎩ ⎨ ⎧n=1∑∞un收敛⇒n=1∑∞vn收敛n=1∑∞vn发散⇒n=1∑∞un发散A=0⇒n=1∑∞un与n=1∑∞vn同敛散
- 比值判别法(达朗贝尔)
- lim n → ∞ u n + 1 u n = ρ { < 1 , 收敛 > 1 , 发散 = 1 , 失效 \lim\limits_{n\to\infty}\frac{u_{n+1}}{u_n}=\rho\begin{cases}<1,收敛\\>1,发散\\=1,失效\end{cases} n→∞limunun+1=ρ⎩ ⎨ ⎧<1,收敛>1,发散=1,失效
- 根值判别法(柯西)
- lim n → ∞ u n n = ρ { < 1 , 收敛 > 1 , 发散 = 1 , 失效 \lim\limits_{n\to\infty}\sqrt[n]{u_n}=\rho\begin{cases}<1,收敛\\>1,发散\\=1,失效\end{cases} n→∞limnun=ρ⎩ ⎨ ⎧<1,收敛>1,发散=1,失效
- 积分判别法(柯西)
- 设 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1∑∞un为正项级数,若存在 [ 1 , + ∞ ) [1,+\infty) [1,+∞)上单调减少的非负连续函数 f ( x ) f(x) f(x),使得 u n = f ( n ) u_n=f(n) un=f(n),则级数 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1∑∞un与反常积分 ∫ 1 + ∞ f ( x ) d x \int_1^{+\infty}f(x)\mathrm{d}x ∫1+∞f(x)dx的敛散性相同.
- 对数判别法
- lim n → ∞ ln 1 u n ln n = ρ { > 1 , 收敛 < 1 , 发散 = 1 , 失效 适用 : u n = 1 [ f ( n ) ] g ( n ) \lim\limits_{n\to\infty}\frac{\ln\frac{1}{u_n}}{\ln n}=\rho\begin{cases}>1,收敛\\<1,发散\\=1,失效\end{cases}~~~~~~~适用:u_n=\frac{1}{{[f(n)]}^{g(n)}} n→∞limlnnlnun1=ρ⎩ ⎨ ⎧>1,收敛<1,发散=1,失效 适用:un=[f(n)]g(n)1
1.2.2.交错级数 ∑ n = 1 ∞ ( − 1 ) n − 1 u n , u n > 0 \sum\limits_{n=1}^\infty(-1)^{n-1}u_n,u_n>0 n=1∑∞(−1)n−1un,un>0
-
莱布尼茨判别法
- lim n → ∞ u n = 0 \lim\limits_{n\to\infty}u_n=0 n→∞limun=0
- u n ⩾ u n + 1 u_n\geqslant u_{n+1} un⩾un+1
-
莱布尼茨判别法只是充分条件,不是必要条件,若失效,可以将级数拆成多个级数之和.
1.2.3.任意项级数
- ∑ n = 1 ∞ ∣ u n ∣ \sum\limits_{n=1}^\infty |u_n| n=1∑∞∣un∣收敛,称 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1∑∞un绝对收敛
- ∑ n = 1 ∞ ∣ u n ∣ \sum\limits_{n=1}^\infty |u_n| n=1∑∞∣un∣发散, ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1∑∞un收敛,则称 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1∑∞un条件收敛
- ∑ n = 1 ∞ ∣ u n ∣ \sum\limits_{n=1}^\infty |u_n| n=1∑∞∣un∣收敛 ⇒ ∑ n = 1 ∞ u n \Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty u_n ⇒n=1∑∞un收敛
- ∑ n = 1 ∞ u n , ∑ n = 1 ∞ v n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n,\sum\limits_{n=1}^\infty v_n n=1∑∞un,n=1∑∞vn均绝对收敛 ⇒ ∑ n = 1 ∞ ( u n ± v n ) \Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty(u_n\pm v_n) ⇒n=1∑∞(un±vn)绝对收敛
- ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1∑∞un绝对收敛, ∑ n = 1 ∞ v n \sum\limits_{n=1}^\infty v_n n=1∑∞vn条件收敛 ⇒ ∑ n = 1 ∞ ( u n ± v n ) \Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty(u_n\pm v_n) ⇒n=1∑∞(un±vn)条件收敛
- ∑ n = 1 ∞ u n , ∑ n = 1 ∞ v n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n,\sum\limits_{n=1}^\infty v_n n=1∑∞un,n=1∑∞vn均条件收敛 ⇒ ∑ n = 1 ∞ ( u n ± v n ) \Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty(u_n\pm v_n) ⇒n=1∑∞(un±vn)收敛(可能绝对收敛,可能条件收敛)
- 交错 p p p级数 ∑ n = 1 ∞ ( − 1 ) n − 1 1 n p { p > 1 , 绝对收敛 0 < p ⩽ 1 , 条件收敛 \sum\limits_{n=1}^\infty(-1)^{n-1}\frac{1}{n^p}\begin{cases}p>1,绝对收敛\\0<p\leqslant1,条件收敛\end{cases} n=1∑∞(−1)n−1np1{p>1,绝对收敛0<p⩽1,条件收敛
1.3.常用结论
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∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1∑∞un收敛 ⇒ ∑ n = 1 ∞ ∣ u n ∣ \Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty |u_n| ⇒n=1∑∞∣un∣不定
-
∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1∑∞un收敛 { u n ⩾ 0 ⇒ ∑ n = 1 ∞ u n 2 收敛 ( lim n → ∞ u n = 0 , 从某项起 , u n < 1 , u n 2 < u n ) u n 任意 ⇒ ∑ n = 1 ∞ u n 2 不定 \begin{cases}u_n\geqslant0\Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty u_n^2收敛(\lim\limits_{n\to\infty}u_n=0,从某项起,u_n<1,u_n^2<u_n)\\u_n任意\Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty u_n^2不定\end{cases} ⎩ ⎨ ⎧un⩾0⇒n=1∑∞un2收敛(n→∞limun=0,从某项起,un<1,un2<un)un任意⇒n=1∑∞un2不定
-
∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1∑∞un收敛 { u n ⩾ 0 ⇒ ∑ n = 1 ∞ u n u n + 1 收敛 ( u n u n + 1 ⩽ u n 2 + u n + 1 2 2 ) u n 任意 ⇒ ∑ n = 1 ∞ u n u n + 1 不定 \begin{cases}u_n\geqslant0\Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty u_nu_{n+1}收敛(u_nu_{n+1}\leqslant\frac{u_n^2+u_{n+1}^2}{2})\\u_n任意\Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty u_nu_{n+1}不定\end{cases} ⎩ ⎨ ⎧un⩾0⇒n=1∑∞unun+1收敛(unun+1⩽2un2+un+12)un任意⇒n=1∑∞unun+1不定
-
∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1∑∞un收敛 ⇒ ∑ n = 1 ∞ ( − 1 ) n u n \Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty(-1)^nu_n ⇒n=1∑∞(−1)nun不定
-
∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1∑∞un收敛 ⇒ ∑ n = 1 ∞ ( − 1 ) n u n n \Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty(-1)^n\frac{u_n}{n} ⇒n=1∑∞(−1)nnun不定
-
∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1∑∞un收敛 { u n ⩾ 0 ⇒ ∑ n = 1 ∞ u 2 n , ∑ n = 1 ∞ u 2 n − 1 收敛 u n 任意 ⇒ ∑ n = 1 ∞ u 2 n , ∑ n = 1 ∞ u 2 n − 1 不定 \begin{cases}u_n\geqslant0\Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty u_{2n},\sum\limits_{n=1}^\infty u_{2n-1}收敛\\u_n任意\Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty u_{2n},\sum\limits_{n=1}^\infty u_{2n-1}不定\end{cases} ⎩ ⎨ ⎧un⩾0⇒n=1∑∞u2n,n=1∑∞u2n−1收敛un任意⇒n=1∑∞u2n,n=1∑∞u2n−1不定
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∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1∑∞un收敛 ⇒ ∑ n = 1 ∞ ( u 2 n − 1 + u 2 n ) \Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty (u_{2n-1}+u_{2n}) ⇒n=1∑∞(u2n−1+u2n)收敛
∑ n = 1 ∞ ( u 2 n − 1 + u 2 n ) \sum\limits_{n=1}^\infty (u_{2n-1}+u_{2n}) n=1∑∞(u2n−1+u2n)收敛且 lim n → ∞ u n = 0 ⇒ ∑ n = 1 ∞ u n \lim\limits_{n\to\infty}u_n=0\Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty u_n n→∞limun=0⇒n=1∑∞un收敛
-
∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1∑∞un收敛 ⇒ ∑ n = 1 ∞ ( u 2 n − 1 − u 2 n ) \Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty (u_{2n-1}-u_{2n}) ⇒n=1∑∞(u2n−1−u2n)不定
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∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1∑∞un收敛 ⇒ ∑ n = 1 ∞ ( u n ± u n + 1 ) \Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty (u_n\pm u_{n+1}) ⇒n=1∑∞(un±un+1)收敛, ∑ n = 1 ∞ u n ± ∑ n = 1 ∞ u n + 1 \sum\limits_{n=1}^\infty u_n\pm\sum\limits_{n=1}^\infty u_{n+1} n=1∑∞un±n=1∑∞un+1收敛
-
∑ n = 1 ∞ ∣ u n ∣ \sum\limits_{n=1}^\infty |u_n| n=1∑∞∣un∣收敛 ⇒ ∑ n = 1 ∞ u n \Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty u_n ⇒n=1∑∞un收敛
∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1∑∞un发散 ⇒ ∑ n = 1 ∞ ∣ u n ∣ \Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty |u_n| ⇒n=1∑∞∣un∣发散
-
∑ n = 1 ∞ u n 2 \sum\limits_{n=1}^\infty u_n^2 n=1∑∞un2收敛 ⇒ ∑ n = 1 ∞ u n n \Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty \frac{u_n}{n} ⇒n=1∑∞nun绝对收敛 ( ∣ u n n ∣ ⩽ 1 2 ( u n 2 + 1 n 2 ) ) (|\frac{u_n}{n}|\leqslant\frac{1}{2}(u_n^2+\frac{1}{n^2})) (∣nun∣⩽21(un2+n21))
-
a , b , c a,b,c a,b,c为非零常数, a u n + b v n + c w n = 0 au_n+bv_n+cw_n=0 aun+bvn+cwn=0,则在 ∑ n = 1 ∞ u n , ∑ n = 1 ∞ v n , ∑ n = 1 ∞ w n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n,\sum\limits_{n=1}^\infty v_n,\sum\limits_{n=1}^\infty w_n n=1∑∞un,n=1∑∞vn,n=1∑∞wn中只要有两个级数收敛,另一个必收敛
-
∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1∑∞un收敛, ∑ n = 1 ∞ v n \sum\limits_{n=1}^\infty v_n n=1∑∞vn收敛 ⇒ ∑ n = 1 ∞ ( u n ± v n ) \Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty (u_n\pm v_n) ⇒n=1∑∞(un±vn)收敛
-
∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1∑∞un收敛, ∑ n = 1 ∞ v n \sum\limits_{n=1}^\infty v_n n=1∑∞vn发散 ⇒ ∑ n = 1 ∞ ( u n ± v n ) \Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty (u_n\pm v_n) ⇒n=1∑∞(un±vn)发散
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∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1∑∞un发散, ∑ n = 1 ∞ v n \sum\limits_{n=1}^\infty v_n n=1∑∞vn发散 ⇒ { u n ⩾ 0 , v n ⩾ 0 ⇒ ∑ n = 1 ∞ ( u n + v n ) 发散 u n , v n 任意 ⇒ ∑ n = 1 ∞ ( u n ± v n ) 不定 \Rightarrow\begin{cases}u_n\geqslant0,v_n\geqslant0\Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty (u_n+v_n)发散\\u_n,v_n任意\Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty (u_n\pm v_n)不定\end{cases} ⇒⎩ ⎨ ⎧un⩾0,vn⩾0⇒n=1∑∞(un+vn)发散un,vn任意⇒n=1∑∞(un±vn)不定
-
∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1∑∞un收敛, ∑ n = 1 ∞ v n \sum\limits_{n=1}^\infty v_n n=1∑∞vn收敛 { u n ⩾ 0 , v n ⩾ 0 ⇒ ∑ n = 1 ∞ u n v n 收敛 ( u n v n ⩽ u n 2 + v n 2 2 ) u n 任意 , v n ⩾ 0 ⇒ ∑ n = 1 ∞ ∣ u n ∣ ⋅ v n 收敛 ( lim n → ∞ ∣ u n ∣ ⋅ v n v n = lim n → ∞ ∣ u n ∣ = 0 ) u n 任意 , v n 任意 ⇒ ∑ n = 1 ∞ u n v n 不定 \begin{cases}u_n\geqslant0,v_n\geqslant0\Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty u_nv_n收敛(u_nv_n\leqslant\frac{u_n^2+v_n^2}{2})\\u_n任意,v_n\geqslant0\Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty |u_n|\cdot v_n收敛(\lim\limits_{n\to\infty}\frac{|u_n|\cdot v_n}{v_n}=\lim\limits_{n\to\infty}|u_n|=0)\\u_n任意,v_n任意\Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty u_nv_n不定\end{cases} ⎩ ⎨ ⎧un⩾0,vn⩾0⇒n=1∑∞unvn收敛(unvn⩽2un2+vn2)un任意,vn⩾0⇒n=1∑∞∣un∣⋅vn收敛(n→∞limvn∣un∣⋅vn=n→∞lim∣un∣=0)un任意,vn任意⇒n=1∑∞unvn不定
-
选择题常见反例 ( − 1 ) n n , ( − 1 ) n n , ( − 1 ) n ln n \frac{{(-1)}^n}{n},\frac{{(-1)}^n}{\sqrt{n}},\frac{{(-1)}^n}{\ln n} n(−1)n,n(−1)n,lnn(−1)n
2.级数的收敛域
2.1.概念
- 函数项级数
- 设函数列 { u n ( x ) } \{u_n(x)\} {un(x)}定义在区间 I I I上,称 u 1 ( x ) + u 2 ( x ) + ⋯ + u n ( x ) + ⋯ u_1(x)+u_2(x)+\cdots+u_n(x)+\cdots u1(x)+u2(x)+⋯+un(x)+⋯为定义在区间 I I I上的函数项级数,记为 ∑ n = 1 ∞ u n ( x ) \sum\limits_{n=1}^\infty u_n(x) n=1∑∞un(x),当 x x x取确定的值 x 0 x_0 x0时, ∑ n = 1 ∞ u n ( x ) \sum\limits_{n=1}^\infty u_n(x) n=1∑∞un(x)成为常数项级数 ∑ n = 1 ∞ u n ( x 0 ) \sum\limits_{n=1}^\infty u_n(x_0) n=1∑∞un(x0).
- 幂级数
- ∑ n = 1 ∞ u n ( x ) \sum\limits_{n=1}^\infty u_n(x) n=1∑∞un(x)的一般项 u n ( x ) u_n(x) un(x)是 n n n次幂函数
- 一般形式 ∑ n = 0 ∞ a n ( x − x 0 ) n = a 0 + a 1 ( x − x 0 ) + a 2 ( x − x 0 ) 2 + ⋯ + a n ( x − x 0 ) n + ⋯ \sum\limits_{n=0}^\infty a_n(x-x_0)^n=a_0+a_1(x-x_0)+a_2(x-x_0)^2+\cdots+a_n(x-x_0)^n+\cdots n=0∑∞an(x−x0)n=a0+a1(x−x0)+a2(x−x0)2+⋯+an(x−x0)n+⋯
- 标准形式 ∑ n = 0 ∞ a n x n = a 0 + a 1 x + a 2 x 2 + ⋯ + a n x n + ⋯ \sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n=a_0+a_1x+a_2x^2+\cdots+a_nx^n+\cdots n=0∑∞anxn=a0+a1x+a2x2+⋯+anxn+⋯
- 收敛点与发散点
- 若给定 x 0 ∈ I x_0\in I x0∈I,有 ∑ n = 1 ∞ u n ( x 0 ) \sum\limits_{n=1}^\infty u_n(x_0) n=1∑∞un(x0)收敛(发散),称 x 0 x_0 x0为 ∑ n = 1 ∞ u n ( x ) \sum\limits_{n=1}^\infty u_n(x) n=1∑∞un(x)的收敛(发散)点
- 收敛域
- ∑ n = 1 ∞ u n ( x ) \sum\limits_{n=1}^\infty u_n(x) n=1∑∞un(x)的所有收敛点的集合
2.2.具体型问题
2.2.1.对于不缺项幂级数 ∑ n = 0 ∞ a n x n \sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n n=0∑∞anxn
- 收敛半径
- lim n → ∞ ∣ a n + 1 a n ∣ = ρ \lim\limits_{n\to\infty}|\frac{a_n+1}{a_n}|=\rho n→∞lim∣anan+1∣=ρ,收敛半径 R = { 1 ρ , ρ ≠ 0 , + ∞ + ∞ , ρ = 0 0 , ρ = + ∞ R=\begin{cases}\frac{1}{\rho},\rho\ne0,+\infty\\+\infty,\rho=0\\0,\rho=+\infty\end{cases} R=⎩ ⎨ ⎧ρ1,ρ=0,+∞+∞,ρ=00,ρ=+∞
- 收敛区间与收敛域
- 收敛区间 ( − R , R ) (-R,R) (−R,R)
- 单独考察 x = ± R x=\pm R x=±R处的敛散性,确定收敛域 ( − R , R ) (-R,R) (−R,R)或 [ − R , R ] [-R,R] [−R,R]或 [ − R , R ) [-R,R) [−R,R)或 ( − R , R ] (-R,R] (−R,R]
2.2.2.对于缺项幂级数(如 ∑ n = 0 ∞ a n x 2 n + 1 \sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^{2n+1} n=0∑∞anx2n+1)或一般函数项级数 ∑ u n ( x ) \sum u_n(x) ∑un(x)
-
加绝对值,即 ∑ ∣ u n ( x ) ∣ \sum|u_n(x)| ∑∣un(x)∣
-
用正项级数的比值(或根值)判别法
- 令 lim n → ∞ ∣ u n + 1 ( x ) ∣ ∣ u n ( x ) ∣ < 1 \lim\limits_{n\to\infty}\frac{|u_{n+1}(x)|}{|u_n(x)|}<1 n→∞lim∣un(x)∣∣un+1(x)∣<1,求出收敛区间 ( a , b ) (a,b) (a,b)
-
单独讨论 x = 1 , x = b x=1,x=b x=1,x=b时的敛散性,确定收敛域
2.3.抽象型问题
- 阿贝尔定理
- 当幂级数 ∑ n = 0 ∞ a n x n \sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n n=0∑∞anxn在点 x = x 1 ( x 1 ≠ 0 ) x=x_1(x_1\ne0) x=x1(x1=0)处收敛时,对于满足 ∣ x ∣ < ∣ x 1 ∣ |x|<|x_1| ∣x∣<∣x1∣的一切 x x x,幂级数绝对收敛
- 当幂级数 ∑ n = 0 ∞ a n x n \sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n n=0∑∞anxn在点 x = x 2 ( x 2 ≠ 0 ) x=x_2(x_2\ne0) x=x2(x2=0)处发散时,对于满足 ∣ x ∣ > ∣ x 2 ∣ |x|>|x_2| ∣x∣>∣x2∣的一切 x x x,幂级数发散
- 结论1
- 已知 ∑ n = 0 ∞ a n ( x − x 0 ) n \sum\limits_{n=0}^\infty a_n(x-x_0)^n n=0∑∞an(x−x0)n在某点 x 1 ( x 1 ≠ x 0 ) x_1(x_1\ne x_0) x1(x1=x0)的敛散性 { 收敛 ⇒ R ⩾ ∣ x 1 − x 0 ∣ 发散 ⇒ R ⩽ ∣ x 1 − x 0 ∣ 条件收敛 ⇒ R = ∣ x 1 − x 0 ∣ \begin{cases}收敛\Rightarrow R\geqslant|x_1-x_0|\\发散\Rightarrow R\leqslant|x_1-x_0|\\条件收敛\Rightarrow R=|x_1-x_0|\end{cases} ⎩ ⎨ ⎧收敛⇒R⩾∣x1−x0∣发散⇒R⩽∣x1−x0∣条件收敛⇒R=∣x1−x0∣
- 结论2
- 已知 ∑ a n ( x − x 1 ) n \sum a_n(x-x_1)^n ∑an(x−x1)n的敛散性,讨论 ∑ b n ( x − x 2 ) m \sum b_n(x-x_2)^m ∑bn(x−x2)m的敛散性 { 提出或乘以因式 ( x − x 0 ) k 或作平移等,收敛半径不变 逐项求导 , 收敛半径不变 , 收敛域可能缩小 逐项积分 , 收敛半径不变 , 收敛域可能扩大 \begin{cases}提出或乘以因式(x-x_0)^k或作平移等,收敛半径不变\\逐项求导,收敛半径不变,收敛域可能缩小\\逐项积分,收敛半径不变,收敛域可能扩大\end{cases} ⎩ ⎨ ⎧提出或乘以因式(x−x0)k或作平移等,收敛半径不变逐项求导,收敛半径不变,收敛域可能缩小逐项积分,收敛半径不变,收敛域可能扩大
3.重要幂级数展开式
-
e x = ∑ n = 0 ∞ x n n ! = 1 + x + x 2 2 ! + . . . + ( − 1 ) n − 1 x n n + . . . ( − ∞ < x < + ∞ ) e^x=\sum\limits_{n=0}^\infty\frac{x^n}{n!}=1+x+\frac{x^2}{2!}+...+{(-1)}^{n-1}\frac{x^n}{n}+...~~~~(-\infty<x<+\infty) ex=n=0∑∞n!xn=1+x+2!x2+...+(−1)n−1nxn+... (−∞<x<+∞)
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1 1 + x = ∑ n = 0 ∞ ( − 1 ) n x n = 1 − x + x 2 − x 3 + . . . + ( − 1 ) n x n + . . . ( − 1 < x < 1 ) \frac{1}{1+x}=\sum\limits_{n=0}^\infty{(-1)}^nx^n=1-x+x^2-x^3+...+{(-1)}^nx^n+...~~~~(-1<x<1) 1+x1=n=0∑∞(−1)nxn=1−x+x2−x3+...+(−1)nxn+... (−1<x<1)
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1 1 − x = ∑ n = 0 ∞ x n = 1 + x + x 2 + . . . + x n + . . . ( − 1 < x < 1 ) \frac{1}{1-x}=\sum\limits_{n=0}^\infty x^n=1+x+x^2+...+x^n+...~~~~(-1<x<1) 1−x1=n=0∑∞xn=1+x+x2+...+xn+... (−1<x<1)
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ln ( 1 + x ) = ∑ n = 1 ∞ ( − 1 ) n − 1 x n n = x − x 2 2 + x 3 3 − . . . + ( − 1 ) n − 1 x n n + . . . ( − 1 < x ⩽ 1 ) \ln(1+x)=\sum\limits_{n=1}^\infty{(-1)}^{n-1}\frac{x^n}{n}=x-\frac{x^2}{2}+\frac{x^3}{3}-...+{(-1)}^{n-1}\frac{x^n}{n}+...~~~~(-1<x\leqslant1) ln(1+x)=n=1∑∞(−1)n−1nxn=x−2x2+3x3−...+(−1)n−1nxn+... (−1<x⩽1)
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sin x = ∑ n = 0 ∞ ( − 1 ) n x 2 n + 1 ( 2 n + 1 ) ! = x − x 3 3 ! + x 5 5 ! − . . . + ( − 1 ) n x 2 n + 1 ( 2 n + 1 ) ! + . . . ( − ∞ < x < + ∞ ) \sin x=\sum\limits_{n=0}^\infty{(-1)}^n\frac{x^{2n+1}}{(2n+1)!}=x-\frac{x^3}{3!}+\frac{x^5}{5!}-...+{(-1)}^n\frac{x^{2n+1}}{(2n+1)!}+...~~~~(-\infty<x<+\infty) sinx=n=0∑∞(−1)n(2n+1)!x2n+1=x−3!x3+5!x5−...+(−1)n(2n+1)!x2n+1+... (−∞<x<+∞)
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e x − e − x 2 = ∑ n = 0 ∞ x 2 n + 1 ( 2 n + 1 ) ! \frac{e^x-e^{-x}}{2}=\sum\limits_{n=0}^{\infty}\frac{x^{2n+1}}{(2n+1)!} 2ex−e−x=n=0∑∞(2n+1)!x2n+1
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cos x = ∑ n = 0 ∞ ( − 1 ) n x 2 n ( 2 n ) ! = 1 − x 2 2 ! + x 4 4 ! − . . . + ( − 1 ) n x 2 n ( 2 n ) ! + . . . ( − ∞ < x < + ∞ ) \cos x=\sum\limits_{n=0}^\infty{(-1)}^n\frac{x^{2n}}{(2n)!}=1-\frac{x^2}{2!}+\frac{x^4}{4!}-...+{(-1)}^n\frac{x^{2n}}{(2n)!}+...~~~~(-\infty<x<+\infty) cosx=n=0∑∞(−1)n(2n)!x2n=1−2!x2+4!x4−...+(−1)n(2n)!x2n+... (−∞<x<+∞)
-
e x + e − x 2 = ∑ n = 0 ∞ x 2 n ( 2 n ) ! \frac{e^x+e^{-x}}{2}=\sum\limits_{n=0}^{\infty}\frac{x^{2n}}{(2n)!} 2ex+e−x=n=0∑∞(2n)!x2n
-
arctan x = ∑ n = 1 ∞ ( − 1 ) n − 1 x 2 n − 1 2 n − 1 = x − x 3 3 + x 5 5 − x 7 7 + . . . + ( − 1 ) n − 1 x 2 n − 1 2 n − 1 + . . . \arctan x=\sum\limits_{n=1}^\infty{(-1)}^{n-1}\frac{x^{2n-1}}{2n-1}=x-\frac{x^3}{3}+\frac{x^5}{5}-\frac{x^7}{7}+...+{(-1)}^{n-1}\frac{x^{2n-1}}{2n-1}+... arctanx=n=1∑∞(−1)n−12n−1x2n−1=x−3x3+5x5−7x7+...+(−1)n−12n−1x2n−1+...
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( 1 + x ) α = 1 + α x + α ( α − 1 ) 2 ! x 2 + . . . + α ( α − 1 ) . . . ( α − n + 1 ) n ! x n + . . . { α ⩽ − 1 → − 1 < x < 1 − 1 < α < 1 → − 1 < x ⩽ 1 α > 0 , α ∉ N + → − 1 ⩽ x ⩽ 1 α ∈ N + → − ∞ < x < + ∞ {(1+x)}^\alpha=1+\alpha x+\frac{\alpha(\alpha-1)}{2!}x^2+...+\frac{\alpha(\alpha-1)...(\alpha-n+1)}{n!}x^n+...\begin{cases}\alpha\leqslant-1\to-1<x<1\\-1<\alpha<1\to-1<x\leqslant1\\\alpha>0,\alpha\notin N_+\to-1\leqslant x\leqslant1\\\alpha\in N_+\to-\infty<x<+\infty\end{cases} (1+x)α=1+αx+2!α(α−1)x2+...+n!α(α−1)...(α−n+1)xn+...⎩ ⎨ ⎧α⩽−1→−1<x<1−1<α<1→−1<x⩽1α>0,α∈/N+→−1⩽x⩽1α∈N+→−∞<x<+∞
4.重要结论
4.1.正项级数
( 1 ) lim n → ∞ a n + 1 a n = A ⇒ lim n → ∞ a n n = A (1)\lim\limits_{n\to\infty}\frac{a_{n+1}}{a_n}=A\Rightarrow\lim\limits_{n\to\infty}\sqrt[n]{a_n}=A (1)n→∞limanan+1=A⇒n→∞limnan=A
( 2 ) 正项级数,若通项同阶,则级数同敛散 (2)正项级数,若通项同阶,则级数同敛散 (2)正项级数,若通项同阶,则级数同敛散
4.2.幂级数
∑ n = 1 ∞ x n n = − ln ( 1 − x ) ( − 1 ⩽ x < 1 ) \sum\limits_{n=1}^\infty\frac{x^n}{n}=-\ln(1-x)~~~~(-1\leqslant x<1) n=1∑∞nxn=−ln(1−x) (−1⩽x<1)
∑ n = 1 ∞ n x n − 1 = 1 ( 1 − x ) 2 ( − 1 < x < 1 ) \sum\limits_{n=1}^\infty nx^{n-1}=\frac{1}{{(1-x)}^2}~~~~(-1<x<1) n=1∑∞nxn−1=(1−x)21 (−1<x<1)
{ ∑ n = 0 ∞ x n = 1 1 − x ∑ n = 0 ∞ ( n + 1 ) x n = 1 ( 1 − x ) 2 ∑ n = 0 ∞ ( n + 2 ) ( n + 1 ) x n = 2 ( 1 − x ) 3 \begin{cases}\sum\limits_{n=0}^\infty x^n=\frac{1}{1-x}\\\sum\limits_{n=0}^\infty(n+1)x^n=\frac{1}{{(1-x)}^2}\\\sum\limits_{n=0}^\infty(n+2)(n+1)x^n=\frac{2}{{(1-x)}^3}\end{cases} ⎩ ⎨ ⎧n=0∑∞xn=1−x1n=0∑∞(n+1)xn=(1−x)21n=0∑∞(n+2)(n+1)xn=(1−x)32
4.3.p-级数
p − 级数 ∑ n = 1 ∞ 1 n p { p > 1 收敛 p ⩽ 1 发散 p-级数\sum\limits_{n=1}^\infty\frac{1}{n^p}\begin{cases}p>1收敛\\p\leqslant1发散\end{cases} p−级数n=1∑∞np1{p>1收敛p⩽1发散
广义 p − 级数 ∑ n = 2 ∞ 1 n ln p n { p > 1 收敛 p ⩽ 1 发散 广义p-级数\sum\limits_{n=2}^\infty\frac{1}{n\ln^pn}\begin{cases}p>1收敛\\p\leqslant1发散\end{cases} 广义p−级数n=2∑∞nlnpn1{p>1收敛p⩽1发散
p − 积分 ∫ 1 + ∞ 1 x p d x { p > 1 收敛 p ⩽ 1 发散 p-积分\int_1^{+\infty}\frac{1}{x^p}\mathrm{d}x\begin{cases}p>1收敛\\p\leqslant1发散\end{cases} p−积分∫1+∞xp1dx{p>1收敛p⩽1发散
广义 p − 积分 ∫ 2 + ∞ 1 x ln p x d x { p > 1 收敛 p ⩽ 1 发散 广义p-积分\int_2^{+\infty}\frac{1}{x\ln^px}\mathrm{d}x\begin{cases}p>1收敛\\p\leqslant1发散\end{cases} 广义p−积分∫2+∞xlnpx1dx{p>1收敛p⩽1发散
5.傅里叶级数
-
S ( x ) = a 0 2 + ∑ n = 1 ∞ ( a n cos n π l x + b n sin n π l x ) { a n = 1 l ∫ − l l f ( x ) cos n π l x d x , n = 0 , 1 , 2 , . . . b n = 1 l ∫ − l l f ( x ) sin n π l x d x , n = 1 , 2 , . . . S(x)=\frac{a_0}{2}+\sum\limits_{n=1}^{\infty}(a_n\cos\frac{n\pi}{l}x+b_n\sin\frac{n\pi}{l}x)~~~~~~~~~~\begin{cases}a_n=\frac{1}{l}\int_{-l}^lf(x)\cos\frac{n\pi}{l}x\mathrm{d}x,n=0,1,2,...\\b_n=\frac{1}{l}\int_{-l}^lf(x)\sin\frac{n\pi}{l}x\mathrm{d}x,n=1,2,...\end{cases} S(x)=2a0+n=1∑∞(ancoslnπx+bnsinlnπx) {an=l1∫−llf(x)coslnπxdx,n=0,1,2,...bn=l1∫−llf(x)sinlnπxdx,n=1,2,...
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狄利克雷收敛 S ( x ) = { f ( x ) , x 为连续点 f ( x − 0 ) + f ( x + 0 ) 2 , x 为间断点 f ( − l + 0 ) + f ( l − 0 ) 2 , x = ± l S(x)=\begin{cases}f(x),x为连续点\\\frac{f(x-0)+f(x+0)}{2},x为间断点\\\frac{f(-l+0)+f(l-0)}{2},x=\pm l\end{cases} S(x)=⎩ ⎨ ⎧f(x),x为连续点2f(x−0)+f(x+0),x为间断点2f(−l+0)+f(l−0),x=±l
-
{ f ( x ) 为奇函数 { a n = 0 b n = 2 l ∫ 0 l f ( x ) sin n π l x d x , n = 1 , 2 , . . . f ( x ) = ∑ n = 1 ∞ b n sin n π l x ( 正弦级数 ) f ( x ) 为偶函数 { a n = 2 l ∫ 0 l f ( x ) cos n π l x d x b n = 0 f ( x ) = a 0 2 + ∑ n = 1 ∞ a n cos n π l x d x ( 余弦级数 ) \begin{cases}f(x)为奇函数\begin{cases}a_n=0\\b_n=\frac{2}{l}\int_0^lf(x)\sin\frac{n\pi}{l}x\mathrm{d}x,n=1,2,...\\f(x)=\sum\limits_{n=1}^{\infty}b_n\sin\frac{n\pi}{l}x(正弦级数)\end{cases}\\f(x)为偶函数\begin{cases}a_n=\frac{2}{l}\int_0^lf(x)\cos\frac{n\pi}{l}x\mathrm{d}x\\b_n=0\\f(x)=\frac{a_0}{2}+\sum\limits_{n=1}^{\infty}a_n\cos\frac{n\pi}{l}x\mathrm{d}x(余弦级数)\end{cases}\end{cases} ⎩ ⎨ ⎧f(x)为奇函数⎩ ⎨ ⎧an=0bn=l2∫0lf(x)sinlnπxdx,n=1,2,...f(x)=n=1∑∞bnsinlnπx(正弦级数)f(x)为偶函数⎩ ⎨ ⎧an=l2∫0lf(x)coslnπxdxbn=0f(x)=2a0+n=1∑∞ancoslnπxdx(余弦级数)