第五章 无穷级数
考试大纲
- 理解常数项级数收敛、发散以及收敛级数的和的概念
- 掌握级数的基本性质及收敛的必要条件
- 掌握几何级数与 级数的收敛与发散的条件
- 掌握正项级数收敛性的比较判别法、比值判别法和根值判别法
- 掌握交错级数的莱布尼茨判别法
- 了解任意项级数绝对收敛与条件收敛的概念
- 理解幂级数收敛半径的概念,掌握幂级数的收敛半径、收敛区间及收敛域的求法
- 了解幂级数在其收敛区间内的基本性质
- 会求一些幂级数在收敛区间内的和函数
- 掌握 、、、 及 的麦克劳林展开式
核心知识点
1. 常数项级数的概念
给定一个数列 ,则由这数列构成的表达式:
叫做(常数项)无穷级数,简称(常数项)级数,记为 ,即:
其中第 项 叫做级数的一般项。
部分和: 级数的前 项和
收敛与发散: 如果级数 的部分和数列 有极限 ,即 ,则称无穷级数 收敛,极限 叫做这级数的和,并写成:
如果 没有极限,则称无穷级数 发散。
2. 级数的基本性质
线性性质: 如果级数 和 分别收敛于和 和 ,则级数 也收敛,且其和为
改变有限项不影响敛散性: 在级数中去掉、加上或改变有限项,不会改变级数的收敛性
收敛级数加括号: 如果级数 收敛,则对这级数的项任意加括号后所成的级数仍收敛,且其和不变
注意: 收敛级数去括号后不一定收敛;发散级数加括号后可能收敛。
- 收敛的必要条件: 如果级数 收敛,则它的一般项 趋于零,即
注意: 一般项趋于零是级数收敛的必要条件而非充分条件。例如调和级数 的一般项趋于零,但它是发散的。
3. 重要级数
几何级数(等比级数)
当 时收敛,和为 ;当 时发散。
级数
当 时收敛;当 时发散。
特别地,当 时,即为调和级数 ,发散。
4. 正项级数的审敛法
正项级数: 各项都是正数或零的级数。
(1)比较审敛法
设 和 都是正项级数,且 ()。
- 若级数 收敛,则级数 收敛
- 若级数 发散,则级数 发散
极限形式: 设 和 都是正项级数,如果 (),且级数 收敛,则级数 收敛;如果 或 ,且级数 发散,则级数 发散。
(2)比值审敛法(达朗贝尔判别法)
设 为正项级数,如果:
则当 时级数收敛;(或 )时级数发散; 时级数可能收敛也可能发散。
(3)根值审敛法(柯西判别法)
设 为正项级数,如果:
则当 时级数收敛;(或 )时级数发散; 时级数可能收敛也可能发散。
5. 交错级数
交错级数: 各项正负交错的级数,形式为:
其中 都是正数。
莱布尼茨定理: 如果交错级数 满足条件:
- ()
则级数收敛,且其和 ,其余项 的绝对值 。
6. 绝对收敛与条件收敛
绝对收敛: 如果级数 收敛,则称级数 绝对收敛。
条件收敛: 如果级数 收敛,而级数 发散,则称级数 条件收敛。
定理: 如果级数 绝对收敛,则级数 必定收敛。
重要结论: 绝对收敛级数经改变项的位置后构成的级数也收敛,且与原级数有相同的和(即绝对收敛级数具有可交换性)。
7. 幂级数
函数项级数: 给定一个定义在区间 上的函数列 ,由这函数列构成的表达式:
称为定义在区间 上的(函数项)无穷级数。
幂级数: 各项都是幂函数的函数项级数,形式为:
其中常数 叫做幂级数的系数。
阿贝尔定理: 如果级数 当 ()时收敛,则适合不等式 的一切 使这幂级数绝对收敛。反之,如果级数 当 时发散,则适合不等式 的一切 使这幂级数发散。
收敛半径: 如果幂级数 不是仅在 一点收敛,也不是在整个数轴上都收敛,则必有一个确定的正数 存在,使得:
- 当 时,幂级数绝对收敛
- 当 时,幂级数发散
- 当 与 时,幂级数可能收敛也可能发散
正数 叫做幂级数的收敛半径,开区间 叫做幂级数的收敛区间。
收敛半径求法: 如果 (或 ),则:
8. 幂级数的和函数
性质: 幂级数 的和函数 在其收敛域 上连续,且在收敛区间 内可导,并可逐项求导和逐项积分。
逐项求导:
逐项积分:
逐项求导和逐项积分后所得的幂级数和原级数有相同的收敛半径。
9. 函数展开成幂级数
泰勒级数: 如果函数 在点 的某邻域 内具有任意阶导数,则称幂级数:
为函数 在点 处的泰勒级数。
当 时,称为麦克劳林级数:
重要展开式:
| 函数 | 展开式 | 收敛区间 |
|---|---|---|
典型例题
例题 1:判断级数敛散性
判断级数 的敛散性。
解:
使用比值审敛法:
所以级数收敛。
例题 2:求幂级数的收敛域
求幂级数 的收敛域。
解:
令 ,级数变为
收敛半径
当 时,级数成为 ,发散
当 时,级数成为 ,收敛(莱布尼茨判别法)
所以 ,即 ,收敛域为
例题 3:求幂级数的和函数
求幂级数 的和函数。
解:
已知 ()
逐项求导:
收敛区间为 。
易错点提醒
常见错误
忽视收敛的必要条件
- 错误:认为 则级数收敛
- 正确:这只是必要条件,如调和级数发散
比值/根值判别法失效时不会判断
- 当 时,需要改用比较判别法或其他方法
求收敛域时忘记讨论端点
- 收敛区间是开区间,收敛域需要单独讨论端点敛散性
逐项求导/积分后不检查收敛域
- 端点的敛散性可能改变
本章小结
- 理解级数收敛与发散的概念,掌握级数的基本性质
- 熟练掌握正项级数的比较、比值、根值判别法
- 掌握交错级数的莱布尼茨判别法
- 理解绝对收敛与条件收敛的概念
- 掌握幂级数收敛半径、收敛区间、收敛域的求法
- 会求简单幂级数的和函数,掌握常见函数的幂级数展开式
下一章预告: 多元函数微积分——从一元到多元的推广