【考研数学一·高数(8)】无穷级数

本文介绍了级数的收敛性质,包括正项级数的收敛判别法,如比较判别法、根值判别法和比值判别法。此外,还讨论了交错级数的莱布尼茨判别法以及绝对收敛与条件收敛的概念。这些理论对于理解和应用数学序列及级数至关重要。

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1.数项级数的判敛

1.1.定义

  1. 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=1un=u1+u2++un+

  2. 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

  3. ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1un收敛 ⇔ lim ⁡ n → ∞ S n \Leftrightarrow\lim\limits_{n\to\infty}S_n nlimSn存在

  4. ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1un收敛 ⇒ ⇍ lim ⁡ n → ∞ u n = 0 \begin{matrix}\Rightarrow\\\nLeftarrow\end{matrix}\lim\limits_{n\to\infty}u_n=0 nlimun=0

  5. ∑ n = 1 ∞ ( u n + 1 − u n ) \sum\limits_{n=1}^\infty(u_{n+1}-u_n) n=1(un+1un)收敛 ⇔ lim ⁡ n → ∞ u n \Leftrightarrow\lim\limits_{n\to\infty}u_n nlimun存在

    • 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=(u2u1)+(u3u2)++(un+1un)=un+1u1

      ∑ n = 1 ∞ ( u n + 1 − u n ) \sum\limits_{n=1}^\infty(u_{n+1}-u_n) n=1(un+1un)收敛 ⇔ lim ⁡ n → ∞ S n \Leftrightarrow\lim\limits_{n\to\infty}S_n nlimSn存在 ⇔ lim ⁡ n → ∞ u n \Leftrightarrow\lim\limits_{n\to\infty}u_n nlimun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=1un,un0
  1. 基本定理
    • ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1un收敛 ⇔ { S n } \Leftrightarrow\{S_n\} {Sn}有界
  2. 比较判别法
    • 正项级数 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1un ∑ n = 1 ∞ v n \sum\limits_{n=1}^\infty v_n n=1vn从某项起 u n ⩽ v n u_n\leqslant v_n unvn,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=1vn收敛n=1un收敛n=1un发散n=1vn发散
  3. 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} nlimvnun= 0 n=1vn收敛n=1un收敛n=1un发散n=1vn发散+ n=1un收敛n=1vn收敛n=1vn发散n=1un发散A=0n=1unn=1vn同敛散
  4. 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} nlimunun+1=ρ <1,收敛>1,发散=1,失效
  5. 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} nlimnun =ρ <1,收敛>1,发散=1,失效
  6. 积分判别法(柯西)
    • ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1un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=1un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.
  7. 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)}} nlimlnnlnun1=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)n1un,un>0
  • 莱布尼茨判别法

    1. lim ⁡ n → ∞ u n = 0 \lim\limits_{n\to\infty}u_n=0 nlimun=0
    2. u n ⩾ u n + 1 u_n\geqslant u_{n+1} unun+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=1un收敛,称 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1un绝对收敛
  • ∑ n = 1 ∞ ∣ u n ∣ \sum\limits_{n=1}^\infty |u_n| n=1un发散, ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1un收敛,则称 ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1un条件收敛
  1. ∑ n = 1 ∞ ∣ u n ∣ \sum\limits_{n=1}^\infty |u_n| n=1un收敛 ⇒ ∑ n = 1 ∞ u n \Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1un收敛
  2. ∑ n = 1 ∞ u n , ∑ n = 1 ∞ v n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n,\sum\limits_{n=1}^\infty v_n n=1un,n=1vn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
  3. ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1un绝对收敛, ∑ n = 1 ∞ v n \sum\limits_{n=1}^\infty v_n n=1vn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
  4. ∑ n = 1 ∞ u n , ∑ n = 1 ∞ v n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n,\sum\limits_{n=1}^\infty v_n n=1un,n=1vn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)
  5. 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)n1np1{p>1,绝对收敛0<p1,条件收敛

1.3.常用结论

  1. ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1un收敛 ⇒ ∑ n = 1 ∞ ∣ u n ∣ \Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty |u_n| n=1un不定

  2. ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1un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} un0n=1un2收敛(nlimun=0,从某项起,un<1,un2<un)un任意n=1un2不定

  3. ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1un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} un0n=1unun+1收敛(unun+12un2+un+12)un任意n=1unun+1不定

  4. ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1un收敛 ⇒ ∑ n = 1 ∞ ( − 1 ) n u n \Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty(-1)^nu_n n=1(1)nun不定

  5. ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1un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

  6. ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1un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} un0n=1u2n,n=1u2n1收敛un任意n=1u2n,n=1u2n1不定

  7. ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1un收敛 ⇒ ∑ n = 1 ∞ ( u 2 n − 1 + u 2 n ) \Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty (u_{2n-1}+u_{2n}) n=1(u2n1+u2n)收敛

    ∑ n = 1 ∞ ( u 2 n − 1 + u 2 n ) \sum\limits_{n=1}^\infty (u_{2n-1}+u_{2n}) n=1(u2n1+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 nlimun=0n=1un收敛

  8. ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1un收敛 ⇒ ∑ n = 1 ∞ ( u 2 n − 1 − u 2 n ) \Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty (u_{2n-1}-u_{2n}) n=1(u2n1u2n)不定

  9. ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1un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=1un±n=1un+1收敛

  10. ∑ n = 1 ∞ ∣ u n ∣ \sum\limits_{n=1}^\infty |u_n| n=1un收敛 ⇒ ∑ n = 1 ∞ u n \Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1un收敛

    ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1un发散 ⇒ ∑ n = 1 ∞ ∣ u n ∣ \Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty |u_n| n=1un发散

  11. ∑ n = 1 ∞ u n 2 \sum\limits_{n=1}^\infty u_n^2 n=1un2收敛 ⇒ ∑ n = 1 ∞ u n n \Rightarrow\sum\limits_{n=1}^\infty \frac{u_n}{n} n=1nun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})) (nun21(un2+n21))

  12. 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=1un,n=1vn,n=1wn中只要有两个级数收敛,另一个必收敛

  13. ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1un收敛, ∑ n = 1 ∞ v n \sum\limits_{n=1}^\infty v_n n=1vn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

  14. ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1un收敛, ∑ n = 1 ∞ v n \sum\limits_{n=1}^\infty v_n n=1vn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

  15. ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1un发散, ∑ n = 1 ∞ v n \sum\limits_{n=1}^\infty v_n n=1vn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} un0,vn0n=1(un+vn)发散un,vn任意n=1(un±vn)不定

  16. ∑ n = 1 ∞ u n \sum\limits_{n=1}^\infty u_n n=1un收敛, ∑ n = 1 ∞ v n \sum\limits_{n=1}^\infty v_n n=1vn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} un0,vn0n=1unvn收敛(unvn2un2+vn2)un任意,vn0n=1unvn收敛(nlimvnunvn=nlimun=0)un任意,vn任意n=1unvn不定

  17. 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

  1. 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=1un(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=1un(x)成为常数项级数 ∑ n = 1 ∞ u n ( x 0 ) \sum\limits_{n=1}^\infty u_n(x_0) n=1un(x0).
  2. 幂级数
    • ∑ n = 1 ∞ u n ( x ) \sum\limits_{n=1}^\infty u_n(x) n=1un(x)的一般项 u n ( x ) u_n(x) un(x) 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=0an(xx0)n=a0+a1(xx0)+a2(xx0)2++an(xx0)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=0anxn=a0+a1x+a2x2++anxn+
  3. 收敛点与发散点
    • 若给定 x 0 ∈ I x_0\in I x0I,有 ∑ n = 1 ∞ u n ( x 0 ) \sum\limits_{n=1}^\infty u_n(x_0) n=1un(x0)收敛(发散),称 x 0 x_0 x0 ∑ n = 1 ∞ u n ( x ) \sum\limits_{n=1}^\infty u_n(x) n=1un(x)的收敛(发散)点
  4. 收敛域
    • ∑ n = 1 ∞ u n ( x ) \sum\limits_{n=1}^\infty u_n(x) n=1un(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=0anxn
  1. 收敛半径
    • lim ⁡ n → ∞ ∣ a n + 1 a n ∣ = ρ \lim\limits_{n\to\infty}|\frac{a_n+1}{a_n}|=\rho nlimanan+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=+
  2. 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) [ − R , R ] [-R,R] [R,R] [ − R , R ) [-R,R) [R,R) ( − 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=0anx2n+1)或一般函数项级数 ∑ u n ( x ) \sum u_n(x) un(x)
  1. 加绝对值,即 ∑ ∣ u n ( x ) ∣ \sum|u_n(x)| un(x)

  2. 用正项级数的比值(或根值)判别法

    • lim ⁡ n → ∞ ∣ u n + 1 ( x ) ∣ ∣ u n ( x ) ∣ < 1 \lim\limits_{n\to\infty}\frac{|u_{n+1}(x)|}{|u_n(x)|}<1 nlimun(x)un+1(x)<1,求出收敛区间 ( a , b ) (a,b) (a,b)
  3. 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

  1. 阿贝尔定理
    • 当幂级数 ∑ n = 0 ∞ a n x n \sum\limits_{n=0}^\infty a_nx^n n=0anxn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=0anxn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
  2. 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=0an(xx0)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Rx1x0发散Rx1x0条件收敛R=x1x0
  3. 结论2
    • 已知 ∑ a n ( x − x 1 ) n \sum a_n(x-x_1)^n an(xx1)n的敛散性,讨论 ∑ b n ( x − x 2 ) m \sum b_n(x-x_2)^m bn(xx2)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(xx0)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

  1. 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=0n!xn=1+x+2!x2+...+(1)n1nxn+...    (<x<+)

  2. 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=1x+x2x3+...+(1)nxn+...    (1<x<1)

  3. 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) 1x1=n=0xn=1+x+x2+...+xn+...    (1<x<1)

  4. 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)n1nxn=x2x2+3x3...+(1)n1nxn+...    (1<x1)

  5. 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=x3!x3+5!x5...+(1)n(2n+1)!x2n+1+...    (<x<+)

  6. 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)!} 2exex=n=0(2n+1)!x2n+1

  7. 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=12!x2+4!x4...+(1)n(2n)!x2n+...    (<x<+)

  8. 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+ex=n=0(2n)!x2n

  9. 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)n12n1x2n1=x3x3+5x57x7+...+(1)n12n1x2n1+...

  10. ( 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(α1)x2+...+n!α(α1)...(αn+1)xn+... α11<x<11<α<11<x1α>0,α/N+1x1αN+<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)nlimanan+1=Anlimnan =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=1nxn=ln(1x)    (1x<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=1nxn1=(1x)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=0xn=1x1n=0(n+1)xn=(1x)21n=0(n+2)(n+1)xn=(1x)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=1np1{p>1收敛p1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=2nlnpn1{p>1收敛p1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p1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p1发散

5.傅里叶级数

  1. 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(ancoslx+bnsinlx)          {an=l1llf(x)coslxdx,n=0,1,2,...bn=l1llf(x)sinlxdx,n=1,2,...

  2. 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(x0)+f(x+0),x为间断点2f(l+0)+f(l0),x=±l

  3. { 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=l20lf(x)sinlxdx,n=1,2,...f(x)=n=1bnsinlx(正弦级数)f(x)为偶函数 an=l20lf(x)coslxdxbn=0f(x)=2a0+n=1ancoslxdx(余弦级数)

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