当前课程知识点:微积分(先修课) > 第七章 无穷级数 > 7.2 正项级数 > 7.2.1 正项级数
同学们 大家好
欢迎来到大学先修课
微积分课程
今天我们介绍第七章无穷级数
第二节 正项级数
在学习了无穷级数的概念后
我们知道判断一个级数
是否收敛
是研究级数的首要问题
由于一般级数是否收敛
是不能直接通过
求部分和数列的极限来判断的
所以 我们就需要
寻找其他可行的判敛法
正项级数是一类简单的数项级数
本讲就介绍正项级数的概念
正项级数的比较判敛法
与积分判敛法
我们首先介绍正项级数的概念
和简单性质
我们直接给出正项级数的定义
定义3
如果an大于0
我们就称以an为通项的级数
为正项级数
根据正项级数的概念
我们直接可以得到
正项级数的两个简单性质
第一个性质
如果an大于0
那么以an为通项的正项级数的
部分和数列Sn就是单调递增的
第二个性质
如果an大于0
那么以an为通项的级数
收敛的充分必要条件就是
它的部分和数列有上限
也就是存在一个实数M
对所有的n都有Sn小于M
第二个性质是利用数列的
单调有界收敛定理
直接得到的一个结论
有了第二个性质之后
对于正项级数来说
我们要想判断它是否收敛
只要判断它的部分和数列
是否有上限就可以了
下面我们看一道例题
我们判断以n的平方分之1
做通项的正项级数是否收敛
我们知道在n大于1时
n的平方分之1
它是小于n乘n减1分之1
而n乘n减1分之1
我们是可以写成是n减n分之1
减去n分之1
这样我们就可以知道
这个正项级数的前n项和
也就小于第一项是1
第二项就放大成1减2分之1
一直到第n项
放大成n减1分之1减去n分之1
所以Sn就小于2减去n分之1
是小于2的
这样就证明了这个正项级数
它的部分和数列是有上限的
所以正项级数是收敛的
根据正项级数的这个性质
我们可以直接得到
正项级数常用的
一类简单的判敛方法
下面我们就介绍
正像级数的比较判敛法
首先给出比较判敛法的一般形式
定理5
我们假设an和bn
为通项的级数都是正项级数
而且在某一个N之后
an总是小于等于bn的
我们就能得到下面两个结果
如果以bn为通项的级数是收敛的
那么以an为通项的级数
也一定是收敛的
如果以an为通项的级数是发散的
那么以bn为通项的级数
也是分散的
通俗的说
正项级数的比较判敛法
给出的就是通项大的级数收敛
那么通项小的级数
自然收敛
通项小的级数发散
那么通项大的级数
自然是发散的
下面我们给出定理5的证明
不妨假设对所有的n
我们都有an小于等于bn
我们记An表示的
是以an为通项的级数的
部分和数列
Bn表示的是以bn为通项的
部分和数列
在给定条件下
我们知道数列
An与Bn都是单调递增的
而且他们对应的项
An是小于等于Bn的
因为如果以bn为通项的
级数收敛时
我们就知道
Bn这个数列是有上限的
根据上面的不等关系
我们自然就知道An这个数列
也是有上限的
这就说明以an为通项的正项级数
是收敛的
这样我们就证明了第一个结论
而第二个结论是
第一个结论的逆否命题
这两个结论是等价的
所以第二个结论
自然是成立的
下面我们利用比较判敛法
来处理几个具体的
正项级数的判敛问题
例2
我们判断下面
这个级数它的敛散性
这个级数的通项是
1除上n方加n再加上1
我们直接把通项的分母缩小
变成n的平方
那么这个正项级数的通项
就小于n方分之1
前面我们已经得到了以n方分之1
做通项的级数是收敛的
所以根据比较判敛法
我们就得到了
我们要判断敛散性的级数
它是收敛的
例3
我们判断下面这个级数的敛散性
这个级数的通项
是n的p次方分之1
其中p是大于0 小于1的
在p大于0 小于1的条件下
我们知道n的p次方分之1
是大于n分之1的
前面我们已经知道了
调和级数是发散的
所以根据比较判敛法
我们就得到了
n的p次方分之1的p
大于0小于1时
它对应的级数是发散的
在微积分中
以n的p次方分之1
做通项的级数
我们一般的称它为p级数
关于p级数的敛散性结论
我们可以证明在p小于等于1时
p级数是发散的
在p大于1时 P级数是收敛的
下面我们来看例题4
我们判断以n的阶乘分之1
做通项的级数
它的敛散性
当n大于等于2时
我们知道n的阶乘分之1
它是小于n乘上n减1分之1
前面我们已经知道
n乘n减1分之1做通项的级数
它是收敛的
所以以n的阶乘分之1
做通项的级数
也是收敛的
在这个例题中
请大家注意
n乘n减1分之1做通项的级数
我们的n是从2开始的
所以说利用比较判敛法
我们直接得到的是
n的阶乘分之1
做通项的级数
n从2开始它是收敛的
前面我们又介绍了
一个级数的敛散性
与任意有现象的值是无关的
所以我们就得到了
以n的阶乘分之1
做通项的级数
对n从一开始它也是收敛的
第5道例题
我们判断下面
这个级数它的敛散性
这个级数的通项
是n减1除上n的3次方
减n再减去1
我们为了利用比较判敛法
我们对这个技术的通项
做了适当的放缩
在n大于1时
我们把这个通项的分母变小
也就是将最后这个1
变大到n减1
那么 分母就变小
整个分数就变大
也就是我们将这个通项
直接放大到n减1
除上n的3次方减n
再减去括号里面n减1
上下把n减1消掉
它就等于1除上n的平方
加n再减去1
我们再进一步
对这个分数分子变小
也就是把它放大到
n的平方分之1
我们知道n的平方分之1
是收敛的
所以根据比较判敛法
我们就得到了
我们要判敛的级数的
敛散性结论是
它是收敛的
关于比较判敛法
我们需要说明的是
在适用比较判敛法时
我们总是需要证明
一些适当的不等式
也就是要对判敛的
正项级数的通项
做适当的放大和缩小
这也是我们能否
用好比较判敛法的关键
也是利用比较判敛法
判断正项级数
收敛和发散时它的困难所在
在某些正项级数中
为了回避不等式的放缩问题
我们可以借用极限形式
这就是下面
我们要介绍的
比较判敛法的极限形式
定理6
我们假设an和bn为通项的级数
都是正像级数
而且an比上bn
它的极限是等于L的
我有我们有下面三个结论
如果L是大于0
小于正无穷的
那么以an和bn为通项的
这两个正项级数
它就具有同样的敛散性
也就是说要么同时收敛
要么同时发散
第二个结论如果极限L等于0
而且以bn为通项的
级数是收敛的
那么以an为通项的
级数也是收敛的
这个结论直观的讲
极限等于0时
说明在n充分大时
an是远远小于bn的
那么 以bn为通项的级数收敛
以an为通项的级数
自然也应该收敛
第三个结论
如果极限等于0
而且以an为通项的
级数是发散的
那么 以bn为通项的级数
也是发散的
实际上第三个结论
可以由第二个结论直接得到
下面 我们来证明
比较判敛法的极限形式
我们只证明第一个结论
因为an比上bn
它的极限是等L
根据极限的保号性质
我们知道当n足够大时
an比上bn
它一定是介于2分之L
和2分之3倍的L之间
因为bn是大于0的
也就是说an一定是介于
2分之L乘上bn
和2分之3倍的L乘上bn之间
在这个不等式中
我们利用左边的不等号
根据比较判敛法
我们就知道
以an为通项的级数收敛时
那么以2分之L
乘上bn为通项的
级数也是收敛的
再利用收敛级数的
数乘运算性质
我们就得到了
以bn为通项的级数
它的收敛性
我们利用这个不等式中
右边这个不等号
我们就会得到
在bn为通项的级数收敛时
那么以an为通项的级数
也是收敛的
这样我们就证明了在给定条件下
两个级数同时收敛
或者是同时发散
在比较判敛法的极限形式中
我们将bn比作是p级数的通项
也就是bn等于n的p次方分之1
就会得到我们常用的
比较判敛法的一个特殊情况
也就是我们所谓的比阶形式
定理7
我们假设an是大于0的
而且an比上n的p次方分之1
它的极限等于L
那么当L大于等于0
小于正无穷时
如果p是大于1的
那么以an为通项的级数
就是收敛的
如果我们的L是大于0
小于等于正无穷的
而且p是小于等于1的
我们就会知道
以an作通项的级数
一定是发散的
比阶形式也就是说
对正项级数来说
它是否收敛
主要就是看它的通向
趋向0的速度
如果从无穷小的
阶的角度来看
当通项的阶大于1时
它一定是收敛的
而当通项的阶小于等于1时
它一定是发散的
所以定理7给出的方法
我们就形象的把它称作是
比阶判敛法
下面我们来看几道例题
例6
我们判断以根下n方减1分之1
作通项的级数它的敛散性
关于这个级数
我们可以直观的看出它的通项
与n分之1
应该是等价的
所以我们就可以
这样来解答这个问题
说因为这个级数的通项
比上n分之1
在n趋向无穷时
它的极限值是等于1的
而且以n分之1做通项的级数
也就是调和级数
它是发散的
所以我们这个级数
也是发散的
下面看例7
我们判断以
sin n分之1做通项的
级数的敛散性
与例6类似
这个正项级数它的通项
应该与n分之1是等价的
所以我们可以这样来说明
它的敛散性结论
因为sin n分之1
比上n分之1
在n趋向无穷时的极限
也就等于sin x比上x
在x趋向0时的极限
这是我们学过的一个重要极限
它应该等于1
而且我们知道
以n分之1作通项的级数
它是发散的
所以以sin n分之1
作通项的级数也是发散的
例8
我们判断以ln n除上
n的3次方做通项的级数
它的敛散性
在这个级数中它的通项
我们知道它应该
比n的3次方分之1
是低阶的
但考虑到ln n它的特点
我们应该判断出
这个正项级数的通项
它的阶应该是
比n的平方分之1高阶的
有了这些判断之后
我们可以这样来处理
这个级数的敛散性
因为这个级数的通项
除上n的平方分之1
在n趋向无穷时的极限
也就等于x趋向正无穷时
ln x比上x的极限
我们用一次洛必达法则
就会知道这个极限值是等于0的
而且我们还知道
以n的平方分之1做通项的级数
它是收敛的
所以我们就得到了
所以我们就得到了
以n的3次方分之ln n
做通项的级数
也是收敛的
例9
我们判断以1减cos n分之1
做通项的级数的敛散性
对于这个正项级数来说
我们知道1减cosx除上x平方
在x趋向0时的极限
应该是2分之1
所以我们能够直观的想到
这个正项级数的通项
与n的平方分之1
是同阶的
所以我们可以这样
来书写这个求解过程
因为1减cos n分之1
除上n的平方分之1
在n趋向无穷时的极限
等2分之1
而且以n的平方分之1
做通项的级数
是收敛的
所以我们就得到了
以1减cos n分之1
做通项的级数
它也是收敛的
通过上面几道例题
我们可以进一步体会到
比较判敛法就是将
需要判敛的级数
与我们已经知道
敛散性的级数做比较
在利用比较判敛法的思想时
除了和已经知道敛散性的级数
作比较之外
有时候我们还可以用
知道敛散性的反常积分
作为比较的对象
如果利用反常积分
作为比较的对象
得到的就是我们下面
要介绍的积分判敛法
下面我们介绍
正项级数的积分判敛法
定理8
假设连续函数fx
是区间1到正无穷上的
单调下降的正函数
an就等于fx在n这点的函数值
那么以an为通项的级数的收敛性
与fx在1到正无穷上
这个反常积分的收敛性
是一致的
也就是说这个级数
与这个反常积分
要么同时收敛
要么同时发散
下面我们给出定理8的证明
我们知道条件说
fx是一个单调下降的正函数
那么对于任意的正整数k
fx在k到k加1上的定积分
就应该大于fk加1
在这个区间上的定积分
就小于fk在这个区间上的定积分
这是用的定积分的比较定理
fk加1
在这个区间上的定积分
就等于fk加1
类似的fk
在这个区间上的定积分
也就等于fk
这样我们就得到了
对任意的正整数k
ak加1就小于等于fx
从k到k加1的定积分
也就小于等于ak
我们对两边求和
就会得到Sn也就小于等于
a1加上fx在1到n上的定积分
这个不等式得出
是利用了a2 a3一直到an
分别小于等于
相应区间上的定积分
然后又利用了
定积分的区间可加性得到的
类似的a1加上
fx在1到n上的定积分
也就小于等于a1加上Sn减1
这个不等号我们利用的是
1到2上的定积分
是小于等于a1的
2到3上的定积分
是小于等于a2的
这样我们就得到了
关于这个变限定积分
与这个基数部分和
数列的大小关系
在这个不等式中
我们利用左边的不等号
就会知道如果反常积分
是收敛的
那么这个级数就是收敛的
而利用这个不等式中
右边的不等号
我们就会知道如果级数是收敛的
反常积分自然也是收敛的
这就证明了
级数与相应的反常积分
要么同时收敛
要么同时发散
下面我们利用积分判敛法
来处理几道具体的题目
例10
我们研究p级数
它的敛散性结论
我们考虑相应的反常积分
被积函数就是x p次方分之1
积分区间是1到正无穷
关于这个无穷积分
在我们介绍
无穷积分的敛散性时
我们曾得到了
它的敛散性结论
也就是说
在p大于1时
这个反常积分是收敛的
在p小于等于1时
这个反常积分是发散的
当时得到这个结论的方法
利用的就是反常积分收敛的概念
我们下面复习一下
也就是说在p大于1时
xp次方分之1移到
正无穷上的无穷积分
按照定义应该等于xp次方分之1
在1到B上的变限定积分
在limb趋向正无穷取极限
我们知道在p大于1时
1减p是小于0的
所以当b趋向正无穷时
b的1减p次方是趋向0的
这样就说明了这个变上限定积分
在b趋向正无穷时
极限存在
也就是说在p大于1时
xp次方分之1
在1到正无穷上的无穷积分
是收敛的
当p小于等于1时
证明的方法是类似的
这样我们根据积分判敛法
就得到了在p大于1时
p级别是收敛的
而在p大于0 小于等于1时
p级数是发散的
例11
我们判断以1除上n乘上lnn
作通项的级数它的敛散性
对于这个级数
我们考虑下面这个反常积分
被积函数是1除上x乘lnx
基本区间是2到正无穷
我们做一个变量替换
也就令u等于lnx
那么我们考虑的反常积分
就变成了u分之1
在ln2到正无穷上的反常积分
在这个新的反常积分里面
它的原函数
大家是可以直接得到的
那么相应的变限定积分
大家利用牛顿莱布尼兹公式
自然可以求出来
这样我们就可以验证
这个新的反常积分是发散的
也就是说我们考虑的
这个反常积分
它是一个发散的反常积分
那么根据积分判敛法
我们考虑的级数
自然也是一个发散的级数
关于积分判敛法
我们主要是利用
一致敛散性的反常积分
作为比较的对象
来判断正像级数的敛散性结论
反常积分除了可以用来
判定级数的收敛性之外
有时候我们还可以利用反常积分
来估计级数的部分和
与级数和之间的误差
一般的我们仍然可以假设
连续函数fx是区间
1到正无穷上的
单调下降的正函数
我们用Rn来表示级数的和
与它的前n项和之间的差
这个差也就等于
a n加1加a n加2
这样一直加进去
我们再假定an
就等于fn的前提下
前面我们已经证明了an加1
是大于等于fx
在n加1到n加2上的积分
它又小于等于
fx在n到n加1上的积分
这样我们就得到了
x减掉xn这个差
也就是Rn
它应该就大于等于fx
在无穷区间n加1
到正无穷上的积分
小于等于fx在无穷区间
n到正无穷上的积分
这样就得到了
这个误差的一个估计式
对于具体的被积函数fx来说
我们就可以求出这个范围的大小
下面我们就看一个具体的例子
例12
我们用积分的部分和
来估算下面这个级数的和
这个级数的通项是n个平方分之1
如果我们需要保证
误差不大于0.001
那么我们要至少取多少项
才能达到这个要求
在这个具体的问题中
根据我们前面得到的结论
我们知道x减掉xn
也就是Rn
它应该是大于0
小于等于x平方分之1
在n到正无穷上的无穷积分
这个无穷积分
我们是可以求出来的
它就等于n分之1
也就是这个误差
是小于等于n分之1的
所以我们只要
n分之1不超过0.001
也就是n只要不小于1000
我们就能保证
误差不大于0.001
也就是说我们
只要在这个级数中
取它的前一千项加起来
它就可以很好的
近似这个技术的和
在这一讲中
我们介绍了正项级数的概念
由于正项级数的部分和数列
是一个单调递增数列
所以正项级数收敛
就等价于部分和数列有极限
比较判敛法与积分判敛法
都是在给定的条件下
通过判断正项级数的部分和数列
是否有界
给出了是否收敛的结论
比较判敛法
是利用已知敛散性的正项级数
来说明其他正项级数的敛散性
比较判敛法的极限形式
尤其是比阶形式
是判断简单正项级数
敛散性的常用方法
积分判敛法将级数收敛性
与无穷积分的收敛性
联系在一起
利用连续方法来处理离散问题
是处理某些
特殊的正项级数
敛散性的有效方法
下一讲将介绍
正项级数的比值判敛法
与根式判敛法
谢谢同学们
下一讲 再见
-0.1 绪论
--0.1.1 绪论
-1.1 极限概念引例
--第1.1节测试 极限概念引例
-1.2 极限的概念
--第1.2节测试 极限的概念
-1.3 极限的性质
--第1.3节测试 极限的性质
-1.4 极限的运算
--第1.4节测试 极限的运算
-1.5 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(1) 夹逼定理与单调有界收敛定理
--第1.5节测试(2) 夹逼定理与单调有界收敛定理
-1.6 两个重要的极限
--第1.6节测试 两个重要的极限
-1.7 无穷小量
--第1.7节测试 无穷小量
-2.1 连续函数的概念
--第2.1节测试 连续函数的概念
-2.2. 初等函数的连续性结论
--第2.2节测试 初等函数的连续性结论
-2.3 连续函数的性质
--第2.3节测试 连续函数的性质
-3.1 导数与导函数
--第3.1节测试 导数与导函数
-3.2 微分
--3.2.1 微分
--第3.2节测试 微分
-3.3 导数的运算
--第3.3节测试 导数的运算
-3.4 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--3.4.1 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
--第3.4节测试 隐函数与参数方程确定的函数的导数、对数求导法
-3.5 高阶导数
--第3.5节测试 高阶导数
-4.1 极值和极值点
--第4.1节测试 极值和极值点
-4.2 微分中值定理
--第4.2节测试 微分中值定理
-4.3 洛必达法则
--第4.3节测试(1) 洛必达法则
--第4.3节测试(2) 洛必达法则
-4.4 函数单调性的判定
--第4.4节测试 函数单调性的判断
-4.5 函数的极值及其求法
--第4.5节测试 函数的极值及其求法
-4.6 函数的最值及其应用
--第4.6节测试 函数的最值及其应用
-4.7 曲线的凸性和拐点
--第4.7节测试 函数的凸性和拐点
-4.8 曲线的渐近线
--第4.8节测试 曲线的渐近线
-4.9 泰勒(Taylor)公式
--第4.9节测试 泰勒公式
-4.10 原函数与微分方程初步
--第4.10节测试 原函数与微分方程初步
-5.1 定积分问题举例
-5.2 定积分的概念
--第5.2节测试 定积分的概念
-5.3 定积分的基本性质
--第5.3节测试 定积分的性质
-5.4 微积分基本定理
--第5.4节测试 微积分基本定理
-5.5 定积分的几何应用
--第5.5节测试 定积分的几何应用
-5.6 定积分的物理应用
-6.1 换元积分法
--第6.1节测试 换元积分法
-6.2 分部积分法
--第6.2节测试 分部积分法
-6.3 有理函数的积分法
--第6.3节测试 有理函数的积分法
-6.4 定积分应用举例
--第6.4节测试 定积分应用举例
-6.5 反常积分
--第6.5节测试 反常积分
-7.1 无穷级数
--第7.1节测试 无穷级数
-7.2 正项级数
-7.3 比值判敛法和根式判敛法
--第7.3节测试 比值判敛法和根式判敛法
-7.4 一般项级数
--第7.4节测试 一般项级数
-7.5 幂级数
-7.6 函数的幂级数
--第7.6节测试 函数的幂级数
-7.7 泰勒级数
--第7.7节测试 泰勒级数
-7.8 幂级数的简单应用
-8.1 一阶可求解常微分方程
--第8.1节测试 一阶可求解常微分方程
-8.2 一阶线性微分方程
--第8.2节测试 一阶线性微分方程
-8.3 二阶线性常系数微分方程
--第8.3节测试 二阶线性常系数微分方程
-8.4 常系数微分方程简单应用举例
-期末考试
--期末考试说明
-期末考试--期末考试