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基本概念
无穷级数指的是一个序列
的求和式:
我们先定义级数的部分和:
(序列的前
项和,注意部分和也是一个序列)
那么该级数的值等于:
倘若该极限存在,我们称级数为收敛的,并且将该极限称为级数的和;若该极限不存在,我们称级数为发散的,发散级数无值可言。
基本定理
级数收敛必要条件:序列通项趋于零,
(非充分条件)
级数收敛充要条件:
(粗糙理解就是,只要
充分大,你后面取任意
项,这
项的和的绝对值都能充分小
。乍一看这个条件貌似过于严格,其实可以这么想,一个收敛级数本身是有一个确定值的,而这个确定值是这个序列所有项的求和,你
取得足够大,前面的
部分和就越大,后面“剩下的”项的和等于级数的值减去该部分和,显然就越小了。)
实际应用的时候,上面两个定理更多的是用来证明级数是发散的,第一个不必多说,只给了必要条件,压根没办法证明级数是收敛的,但只要一个级数通项不趋于零,那它一定发散。而第二个虽然是充要条件,但如果想从正面推导出级数是收敛的,需要证明只要
够大
任意
项
都能充分小,这个任意是几乎不可能证明的。但是要证明级数发散的话,只需要证明
存在一个
可以使得这
项的和总是恒大于或恒等于某个数
即可。
基本性质
若级数
与
收敛于
,则
若级数
收敛于
,则
若两级数
,存在一个
,使得
则它们同敛散。
(在级数前面添加上有限项或删除掉有限项,所成的新级数与原级数同敛散。)
无穷和的结合律:将收敛级数的项任意加括号后所成的新级数,仍然收敛到原级数的和。
(收敛级数有确定值,打乱顺序再求和当然不变。但发散级数则不一定,如
)
正项级数
正项级数指每一项都不小于零的级数:
正项级数收敛的充要条件:部分和序列
有上界。(部分和序列单调递增)
比较判别法:
小于收敛级数的级数收敛,大于发散级数的级数发散。
(注意到级数敛散性与开头有限项无关,故上面的比较的是
的项的大小)
比较判别法的极限形式:
设两个正项级数
与
,且有
那么有:
,若
收敛,则
收敛;
,若
发散,则
发散;
,两级数同敛散。
比较判别法需要一个已知敛散性的级数来进行比较,下面给出不需要考虑其他级数的判别法。
达朗贝尔判别法:
若正项级数
满足
有:
,级数收敛;
,级数发散;
,级数敛散性不定:可能收敛,也可能发散。
柯西判别法:
若正项级数
满足
有:
,级数收敛;
,级数发散;
,级数可能收敛也可能发散。
这两种判别法适用于判断满足
的级数。
下面再介绍一种将所讨论的级数与
-级数作比较而得到的判别法。
*拉阿伯判别法:
若正项级数
满足
有:
,级数收敛;
,级数发散;
,级数可能收敛也可能发散。
正项级数与无穷积分的敛散等价性
无穷积分
若极限存在,则称函数在该区间上的无穷积分收敛,并将上述极限值定义为无穷积分的值;
若极限不存在,则称无穷积分发散。
无穷积分与正项级数间的敛散等价:
设
为正项级数,若存在一个单调下降的非负函数
,使
则级数
收敛的充要条件为无穷积分
收敛。
一些常见的敛散级数:
-
,当
时发散,当
时收敛。
-
,当
时发散,当
时收敛。(敛散判断时经常以
进行比较)
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