高数二12-1常数项级数

1、无穷级数 无穷级数无穷级数 无穷级数是研究函数的工具无穷级数是研究函数的工具 表示函数表示函数 研究性质研究性质 数值计算数值计算 数项级数数项级数 幂级数幂级数 傅氏级数傅氏级数 第十二章 常数项级数的概念和性质 一、常数项级数的概念一、常数项级数的概念 二、无穷级数的基本性质二、无穷级数的基本性质 第一节 第十二章 一、常数项级数的概念一、常数项级数的概念 引例引例. 用圆内接正多边形面积逼近圆面积. 依次作圆内接正),2, 1,0(23n n 边形, 这个和逼近于圆的面积 A . 0 a 1 a 2 a n a 设 a0 表示 ,时n 即 n aaaaA 210 内接正三角形面积, ak

2、 表示边数 增加时增加的面积, 则圆内接正 边形面积为 n 23 定义定义： 给定一个数列, 321n uuuu将各项依 , 1 n n u即 1n n u n uuuu 321 称上式为无穷级数， 其中第 n 项 n u叫做级数的一般项, 级数的前 n 项和 n k kn uS 1 称为级数的部分和. n uuuu 321 次相加, 简记为 ,lim存在若SSn n 收敛收敛 , 则称无穷级数 并称 S 为级数的和和, 记作 1n n uS 当级数收敛时, 称差值 21nnnn uuSSr 为级数的余项余项. ,lim不存在若 n n S 则称无穷级数发散发散 . 显然 0lim n n r

3、 例例1. 讨论等比级数 (又称几何级数) )0( 2 0 aqaqaqaaqa n n n ( q 称为公比 ) 的敛散性. 解解: 1) 若| 1,q 12 n n qaqaqaaS q qaa n 1 时，当1q, 0lim n n q由于从而 q a n n S 1 lim 因此级数收敛 , ; 1 q a ,1时当q,lim n n q由于从而 ,lim n n S 则部分和 因此级数发散 . 其和为 2). 若,1q ,1时当qanSn因此级数发散 ; ,1时当q aaaaa n 1 ) 1( 因此 n S n 为奇数 n 为偶数 从而 n n S lim 综合 1)、2)可知,1

4、q时, 等比级数收敛 ; 1q时, 等比级数发散 . 则 , 级数成为 ,a ,0 不存在 , 因此级数发散. )0(, 0 aqa n n 例例3. 判别下列级数的敛散性: 1 1 . (1) n n n 解解: ) 1( 1 43 1 32 1 21 1 nn Sn 2 1 1 1 1 1 n ）n(1 所以级数收敛, 其和为 1 . 3 1 2 1 4 1 3 1 1 11 nn 技巧技巧: 利用 “拆项相消拆项相消” 求 和 例例2. 自看 二、无穷级数的基本性质二、无穷级数的基本性质 性质性质1. 若级数 1n n u 收敛于 S , 1 n n uS则各项 乘以常数 c 所得级数

5、1n n uc也收敛 , 证证: 令, 1 n k kn uS则 n k kn uc 1 , n Sc n n limSc 这说明 1n n uc收敛 , 其和为 c S . n n Sc lim 即 其和为 c S . 性质性质2. 设有两个收敛级数 , 1 n n uS 1n n v 则级数)( 1 n n n vu 也收敛, 其和为.S 证证: 令, 1 n k kn uS, 1 n k kn v则 )( 1 k n k kn vu nn S)(nS 这说明级数)( 1 n n n vu 也收敛, 其和为.S 说明说明: 若两级数中一个收敛一个发散 , 则 )( 1 n n n vu 必

6、发散 . 但若二级数都发散 ,)( 1 n n n vu 不一定发散. 例如例如, ,) 1( 2n n u取,) 1( 12 n n v 0 nn vu而 (用反证法可证) 性质性质3. 在级数前面加上或去掉有限项有限项, 不会影响级数 的敛散性. 证证: 将级数 1n n u的前 k 项去掉, 1n nk u 的部分和为 n l lkn u 1 knk SS nkn S 与,时由于n 数敛散性相同. 当级数收敛时, 其和的关系为. k SS 类似可证前面加上有限项的情况 . 极限状况相同, 故新旧两级 所得新级数 性质性质4. 收敛级数加括弧后所成的级数仍收敛于原级数 的和. 证证: 设收

7、敛级数, 1 n n uS若按某一规律加括弧, )()( 54321 uuuuu 则新级数的部分和序列 ), 2 , 1(m m 为原级数部分和 序列 ),2,1(nSn 的一个子序列, n n m m S limlimS 推论推论: 若加括弧后的级数发散, 则原级数必发散. 注意注意: 收敛级数去括弧后所成的级数不一定收敛. ,0) 11 () 11 (但1111发散. 因此必有 例如， 用反证法可证用反证法可证 例如 (级数收敛的必要条件级数收敛的必要条件) 设收敛级数 , 1 n n uS 则必有.0lim n n u 证证: 1 nnn SSu 1 limlimlim n n n n

8、n n SSu0SS 可见: 若级数的一般项不趋于若级数的一般项不趋于0 , 则级数必发散则级数必发散 . 例如例如, 1 ) 1( 5 4 4 3 3 2 2 1 1 n n n 其一般项为 1 ) 1( 1 n n u n n 不趋于0,因此这个级数发散. n un,时当 性质性质5 注意注意:0lim n n u并非级数收敛的充分条件. 例如例如, 调和级数 nn n 1 3 1 2 1 1 1 1 虽然，0 1 limlim n u n n n 但此级数发散 . 事实上事实上 , 假设调和级数收敛于 S , 则 0)(lim 2 nn n SS n n 2 nnnn2 1 3 1 2

9、1 1 1 但 nn SS2 矛盾! 所以假设不真 . 2 1 补例补例. 判断下列级数的敛散性, 若收敛求其和: ; !e ) 1 ( 1 n n n n n 解解: (1) 令 . 2 12 )2( 1 n n n , !e n n n n n u 则 n n u u 1 n n) 1 ( e 1 ),2, 1(1n 故e 11 uuu nn 从而,0lim n n u这说明级数(1) 发散. 1 11 )1 (e)1 ( n n n n 1 1 ) 1( ! ) 1(e n n n n n n n n!e 1 2 12 )3( n n n 32 2 5 2 3 2 1 n S n n 2 12 nn SS 2 1 1432 2 12 2 5 2 3 2 1 n n 2 1 2 1 2 2 1 13 2 1 2 1 n 1 2 12 n n 2 1 2 1 2 1 1 1 2 1