Skip to content

第五章 无穷级数

考试大纲

  1. 理解常数项级数收敛、发散以及收敛级数的和的概念
  2. 掌握级数的基本性质及收敛的必要条件
  3. 掌握几何级数与 pp 级数的收敛与发散的条件
  4. 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
  5. 掌握交错级数的莱布尼茨判别法
  6. 了解任意项级数绝对收敛与条件收敛的概念
  7. 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
  8. 了解幂级数在其收敛区间内的基本性质
  9. 会求一些幂级数在收敛区间内的和函数
  10. 掌握 exe^xsinx\sin xcosx\cos xln(1+x)\ln(1+x)(1+x)α(1+x)^\alpha 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 u1,u2,u3,,un,u_1, u_2, u_3, \cdots, u_n, \cdots,则由这数列构成的表达式:

u1+u2+u3++un+u_1 + u_2 + u_3 + \cdots + u_n + \cdots

叫做(常数项)无穷级数,简称(常数项)级数,记为 n=1un\sum_{n=1}^{\infty} u_n,即:

n=1un=u1+u2+u3++un+\sum_{n=1}^{\infty} u_n = u_1 + u_2 + u_3 + \cdots + u_n + \cdots

其中第 nnunu_n 叫做级数的一般项。

部分和: 级数的前 nn 项和 sn=u1+u2++un=i=1nuis_n = u_1 + u_2 + \cdots + u_n = \sum_{i=1}^{n} u_i

收敛与发散: 如果级数 n=1un\sum_{n=1}^{\infty} u_n 的部分和数列 {sn}\{s_n\} 有极限 ss,即 limnsn=s\lim_{n \to \infty} s_n = s,则称无穷级数 n=1un\sum_{n=1}^{\infty} u_n 收敛,极限 ss 叫做这级数的和,并写成:

s=u1+u2++un+s = u_1 + u_2 + \cdots + u_n + \cdots

如果 {sn}\{s_n\} 没有极限,则称无穷级数 n=1un\sum_{n=1}^{\infty} u_n 发散


2. 级数的基本性质

  1. 线性性质: 如果级数 n=1un\sum_{n=1}^{\infty} u_nn=1vn\sum_{n=1}^{\infty} v_n 分别收敛于和 ssσ\sigma,则级数 n=1(kun+λvn)\sum_{n=1}^{\infty} (ku_n + \lambda v_n) 也收敛,且其和为 ks+λσks + \lambda\sigma

  2. 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

  3. 收敛级数加括号: 如果级数 n=1un\sum_{n=1}^{\infty} u_n 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。

  1. 收敛的必要条件: 如果级数 n=1un\sum_{n=1}^{\infty} u_n 收敛,则它的一般项 unu_n 趋于零,即 limnun=0\lim_{n \to \infty} u_n = 0

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 n=11n\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n} 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)

n=0aqn=a+aq+aq2++aqn+\sum_{n=0}^{\infty} aq^n = a + aq + aq^2 + \cdots + aq^n + \cdots

q<1|q| < 1 时收敛,和为 a1q\frac{a}{1-q};当 q1|q| \geq 1 时发散。

pp 级数

n=11np=1+12p+13p++1np+\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^p} = 1 + \frac{1}{2^p} + \frac{1}{3^p} + \cdots + \frac{1}{n^p} + \cdots

p>1p > 1 时收敛;当 p1p \leq 1 时发散。

特别地,当 p=1p = 1 时,即为调和级数 n=11n\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n},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

n=1un\sum_{n=1}^{\infty} u_nn=1vn\sum_{n=1}^{\infty} v_n 都是正项级数,且 unvnu_n \leq v_nn=1,2,n = 1, 2, \cdots)。

  • 若级数 n=1vn\sum_{n=1}^{\infty} v_n 收敛,则级数 n=1un\sum_{n=1}^{\infty} u_n 收敛
  • 若级数 n=1un\sum_{n=1}^{\infty} u_n 发散,则级数 n=1vn\sum_{n=1}^{\infty} v_n 发散

极限形式:n=1un\sum_{n=1}^{\infty} u_nn=1vn\sum_{n=1}^{\infty} v_n 都是正项级数,如果 limnunvn=l\lim_{n \to \infty} \frac{u_n}{v_n} = l0l<+0 \leq l < +\infty),且级数 n=1vn\sum_{n=1}^{\infty} v_n 收敛,则级数 n=1un\sum_{n=1}^{\infty} u_n 收敛;如果 limnunvn=l>0\lim_{n \to \infty} \frac{u_n}{v_n} = l > 0limnunvn=+\lim_{n \to \infty} \frac{u_n}{v_n} = +\infty,且级数 n=1vn\sum_{n=1}^{\infty} v_n 发散,则级数 n=1un\sum_{n=1}^{\infty} u_n 发散。

(2)比值审敛法(达朗贝尔判别法)

n=1un\sum_{n=1}^{\infty} u_n 为正项级数,如果:

limnun+1un=ρ\lim_{n \to \infty} \frac{u_{n+1}}{u_n} = \rho

则当 ρ<1\rho < 1 时级数收敛;ρ>1\rho > 1(或 limnun+1un=+\lim_{n \to \infty} \frac{u_{n+1}}{u_n} = +\infty)时级数发散;ρ=1\rho = 1 时级数可能收敛也可能发散。

(3)根值审敛法(柯西判别法)

n=1un\sum_{n=1}^{\infty} u_n 为正项级数,如果:

limnunn=ρ\lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{u_n} = \rho

则当 ρ<1\rho < 1 时级数收敛;ρ>1\rho > 1(或 limnunn=+\lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{u_n} = +\infty)时级数发散;ρ=1\rho = 1 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:

u1u2+u3u4+u1+u2u3+u4u_1 - u_2 + u_3 - u_4 + \cdots \quad \text{或} \quad -u_1 + u_2 - u_3 + u_4 - \cdots

其中 u1,u2,u_1, u_2, \cdots 都是正数。

莱布尼茨定理: 如果交错级数 n=1(1)n1un\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n-1} u_n 满足条件:

  1. unun+1u_n \geq u_{n+1}n=1,2,3,n = 1, 2, 3, \cdots
  2. limnun=0\lim_{n \to \infty} u_n = 0

则级数收敛,且其和 su1s \leq u_1,其余项 rnr_n 的绝对值 rnun+1|r_n| \leq u_{n+1}


6. 绝对收敛与条件收敛

绝对收敛: 如果级数 n=1un\sum_{n=1}^{\infty} |u_n| 收敛,则称级数 n=1un\sum_{n=1}^{\infty} u_n 绝对收敛。

条件收敛: 如果级数 n=1un\sum_{n=1}^{\infty} u_n 收敛,而级数 n=1un\sum_{n=1}^{\infty} |u_n| 发散,则称级数 n=1un\sum_{n=1}^{\infty} u_n 条件收敛。

定理: 如果级数 n=1un\sum_{n=1}^{\infty} u_n 绝对收敛,则级数 n=1un\sum_{n=1}^{\infty} u_n 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 II 上的函数列 u1(x),u2(x),,un(x),u_1(x), u_2(x), \cdots, u_n(x), \cdots,由这函数列构成的表达式:

u1(x)+u2(x)++un(x)+u_1(x) + u_2(x) + \cdots + u_n(x) + \cdots

称为定义在区间 II 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:

n=0anxn=a0+a1x+a2x2++anxn+\sum_{n=0}^{\infty} a_n x^n = a_0 + a_1 x + a_2 x^2 + \cdots + a_n x^n + \cdots

其中常数 a0,a1,a2,,an,a_0, a_1, a_2, \cdots, a_n, \cdots 叫做幂级数的系数。

阿贝尔定理: 如果级数 n=0anxn\sum_{n=0}^{\infty} a_n x^nx=x0x = x_0x00x_0 \neq 0)时收敛,则适合不等式 x<x0|x| < |x_0| 的一切 xx 使这幂级数绝对收敛。反之,如果级数 n=0anxn\sum_{n=0}^{\infty} a_n x^nx=x0x = x_0 时发散,则适合不等式 x>x0|x| > |x_0| 的一切 xx 使这幂级数发散。

收敛半径: 如果幂级数 n=0anxn\sum_{n=0}^{\infty} a_n x^n 不是仅在 x=0x = 0 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 RR 存在,使得:

  • x<R|x| < R 时,幂级数绝对收敛
  • x>R|x| > R 时,幂级数发散
  • x=Rx = Rx=Rx = -R 时,幂级数可能收敛也可能发散

正数 RR 叫做幂级数的收敛半径,开区间 (R,R)(-R, R) 叫做幂级数的收敛区间

收敛半径求法: 如果 limnan+1an=ρ\lim_{n \to \infty} \left| \frac{a_{n+1}}{a_n} \right| = \rho(或 limnann=ρ\lim_{n \to \infty} \sqrt[n]{|a_n|} = \rho),则:

R={1ρ,ρ0+,ρ=00,ρ=+R = \begin{cases} \frac{1}{\rho}, & \rho \neq 0 \\ +\infty, & \rho = 0 \\ 0, & \rho = +\infty \end{cases}


8. 幂级数的和函数

性质: 幂级数 n=0anxn\sum_{n=0}^{\infty} a_n x^n 的和函数 s(x)s(x) 在其收敛域 II 上连续,且在收敛区间 (R,R)(-R, R) 内可导,并可逐项求导和逐项积分。

逐项求导:

s(x)=(n=0anxn)=n=0(anxn)=n=1nanxn1s'(x) = \left( \sum_{n=0}^{\infty} a_n x^n \right)' = \sum_{n=0}^{\infty} (a_n x^n)' = \sum_{n=1}^{\infty} n a_n x^{n-1}

逐项积分:

0xs(t)dt=0x(n=0antn)dt=n=00xantndt=n=0ann+1xn+1\int_0^x s(t) \, dt = \int_0^x \left( \sum_{n=0}^{\infty} a_n t^n \right) dt = \sum_{n=0}^{\infty} \int_0^x a_n t^n \, dt = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{a_n}{n+1} x^{n+1}

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 f(x)f(x) 在点 x0x_0 的某邻域 U(x0)U(x_0) 内具有任意阶导数,则称幂级数:

n=0f(n)(x0)n!(xx0)n\sum_{n=0}^{\infty} \frac{f^{(n)}(x_0)}{n!} (x - x_0)^n

为函数 f(x)f(x) 在点 x0x_0 处的泰勒级数。

x0=0x_0 = 0 时,称为麦克劳林级数

n=0f(n)(0)n!xn\sum_{n=0}^{\infty} \frac{f^{(n)}(0)}{n!} x^n

重要展开式:

函数展开式收敛区间
exe^xn=0xnn!=1+x+x22!+\sum_{n=0}^{\infty} \frac{x^n}{n!} = 1 + x + \frac{x^2}{2!} + \cdots(,+)(-\infty, +\infty)
sinx\sin xn=0(1)nx2n+1(2n+1)!=xx33!+x55!\sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \frac{x^{2n+1}}{(2n+1)!} = x - \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} - \cdots(,+)(-\infty, +\infty)
cosx\cos xn=0(1)nx2n(2n)!=1x22!+x44!\sum_{n=0}^{\infty} (-1)^n \frac{x^{2n}}{(2n)!} = 1 - \frac{x^2}{2!} + \frac{x^4}{4!} - \cdots(,+)(-\infty, +\infty)
ln(1+x)\ln(1+x)n=1(1)n1xnn=xx22+x33\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n-1} \frac{x^n}{n} = x - \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{3} - \cdots(1,1](-1, 1]
(1+x)α(1+x)^\alpha1+αx+α(α1)2!x2+1 + \alpha x + \frac{\alpha(\alpha-1)}{2!}x^2 + \cdots(1,1)(-1, 1)
11x\frac{1}{1-x}n=0xn=1+x+x2+\sum_{n=0}^{\infty} x^n = 1 + x + x^2 + \cdots(1,1)(-1, 1)

典型例题

例题 1:判断级数敛散性

判断级数 n=1nn(n!)2\sum_{n=1}^{\infty} \frac{n^n}{(n!)^2} 的敛散性。

解:

使用比值审敛法:

limnun+1un=limn(n+1)n+1((n+1)!)2(n!)2nn\lim_{n \to \infty} \frac{u_{n+1}}{u_n} = \lim_{n \to \infty} \frac{(n+1)^{n+1}}{((n+1)!)^2} \cdot \frac{(n!)^2}{n^n}

=limn(n+1)n+1(n+1)2nn=limn1n+1(1+1n)n=0e=0<1= \lim_{n \to \infty} \frac{(n+1)^{n+1}}{(n+1)^2 n^n} = \lim_{n \to \infty} \frac{1}{n+1} \left(1 + \frac{1}{n}\right)^n = 0 \cdot e = 0 < 1

所以级数收敛

例题 2:求幂级数的收敛域

求幂级数 n=1(x1)n2nn\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(x-1)^n}{2^n \cdot n} 的收敛域。

解:

t=x1t = x - 1,级数变为 n=1tn2nn\sum_{n=1}^{\infty} \frac{t^n}{2^n \cdot n}

limnan+1an=limn2nn2n+1(n+1)=12\lim_{n \to \infty} \left| \frac{a_{n+1}}{a_n} \right| = \lim_{n \to \infty} \frac{2^n \cdot n}{2^{n+1} \cdot (n+1)} = \frac{1}{2}

收敛半径 R=2R = 2

t=2t = 2 时,级数成为 n=11n\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n},发散

t=2t = -2 时,级数成为 n=1(1)nn\sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^n}{n},收敛(莱布尼茨判别法)

所以 2t<2-2 \leq t < 2,即 2x1<2-2 \leq x - 1 < 2,收敛域为 [1,3)\boxed{[-1, 3)}

例题 3:求幂级数的和函数

求幂级数 n=1nxn1\sum_{n=1}^{\infty} n x^{n-1} 的和函数。

解:

已知 n=0xn=11x\sum_{n=0}^{\infty} x^n = \frac{1}{1-x}x<1|x| < 1

逐项求导:

n=1nxn1=(n=0xn)=(11x)=1(1x)2\sum_{n=1}^{\infty} n x^{n-1} = \left( \sum_{n=0}^{\infty} x^n \right)' = \left( \frac{1}{1-x} \right)' = \boxed{\frac{1}{(1-x)^2}}

收敛区间为 (1,1)(-1, 1)


易错点提醒

常见错误

  1. 忽视收敛的必要条件

    • 错误:认为 limnun=0\lim_{n \to \infty} u_n = 0 则级数收敛
    • 正确:这只是必要条件,如调和级数发散
  2. 比值/根值判别法失效时不会判断

    • ρ=1\rho = 1 时,需要改用比较判别法或其他方法
  3. 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
  4. 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

  1. 理解级数收敛与发散的概念,掌握级数的基本性质
  2. 熟练掌握正项级数的比较、比值、根值判别法
  3. 掌握交错级数的莱布尼茨判别法
  4. 理解绝对收敛与条件收敛的概念
  5. 掌握幂级数收敛半径、收敛区间、收敛域的求法
  6. 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

考研加油!