当前课程知识点:微积分(先修课) > 第七章 无穷级数 > 7.3 比值判敛法和根式判敛法 > 7.3.1 比值判敛法和根式判敛法
同学们 大家好
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微积分课程
今天我们介绍第七章无穷级数
第三节 比值判敛法和根式判敛法
前面我们已经学习了正项级数的
比较判敛法与积分判敛法
它们都是用比较的思想
判别级数的敛散性
其关键就是用熟悉的级数
或无穷积分作为桥梁
也就是说无论是比较判敛法
还是积分判敛法
都要借助于外界的力量
在具体应用时
都会遇到一些或多或少的困难
在这一讲中
我们将介绍
只用正项级数通项本身
得到的两种常用判敛法
这就是比值判敛法与根式判敛法
我们首先来介绍一下
正向级数的比值判敛法
定理9
我们假设以Un为通项的级数
是个正项级数
而且当n充分大时
我们都有Un+1比上Un
是小于等于q
q是个小于1的确定的值
在这个条件下
我们就能得到以un为通项的级数
是一个收敛级数
如果当n充分大时
我们都有Un+1
比上Un是大于等于1的
那么我们就知道
以Un为通项的级数
一定就是一个发散级数
这就是比值判敛法的一般形式
下面我们给出这个结论的证明
不失一般性
我们不妨假设对所有的n
我们都有Un加1比上Un
小于等于q
由于我们的Un是大于0的
所以我们就能得到Un
是小于等于q乘上Un减1
我们一直递推下去
也就得到了
Un是小于等于
q的n减1次方乘上U1
因为q是大于0小于1的
所以以q的n减1次方
乘上u1做通项的几何级数
是一个收敛级数
再由比较判敛法
我们就知道在给定条件下
以Un为通项的级数
也是一个收敛级数
这就是我们要证的
结论中的第一部分
下面我们来证明
结论中的第二部分
因为当n大于N时
我们知道Un加1比上Un
是大于等于1的
也就是说在n大于N时
我们知道所有的Un
都是大于等于uN的
uN是大于0的
这就说明在给定条件下
以Un为通项的级数
它的一般项并不趋向于0
不满足收敛的必要条件
所以这个级数是发散的
这样我们就证明了定理9的结论
下面我们利用已知判敛法
来处理几个具体的竖向级数的
判敛性问题
例1
我们判断以3的n次方
除上n的阶乘
所通向的级数的敛散性结论
我们知道在n大于3时
这个级数它的第n+1项
与它的第n项之比
也有是3比上n+1
那么在n大于3时
这个比值是小于4分之3
而4分之3是小于1的
所以根据比值判敛法
我们就知道这个级数是收敛的
例2
我们来判断下面
一个级数它的敛散性
这个级数的通项分子上
是1乘3乘5
一直乘到2n减1
分母上是5的n次方
再乘上n的阶乘
对这个级数来说
它的第n加1项
比上它的第n项
也就等于2加上n分之1
再除上5加上n分之5
我们知道这个结果
我们将他的分子放大到3
分母缩小到5
所以就得到了这个比值
永远是小于5分之3
而5分之3是小于1的
所以这个级数也是收敛的
关于正项级数的比值判敛法
也就是我们要求正项级数后一项
与前一项比值的最大值
或者是要求这个比值的上限
对一些简单的正项级数来说
这个方法是可行的
但是当正项级数的通项
比较复杂时
我们要求这个比值的最大值
或者求上限会变得比较复杂
有时候为了化解这个问题
我们会求这个比值的极限
下面我们就介绍一下
比值判敛法的极限形式
定理10
我们假设以Un为通项的级数
是正项级数
而且Un加1比上Un
它的极限等于r
那么 当r大于等于0 小于1时
我们就知道
这个正项级数是收敛的
当r大于1时
我们能够得到这个级数
是发散的
不仅如此
我们还可以得到在这个条件下
这个正项级数的通项
是一个正无穷大量
如果极限等于1
我们这个级数的敛散性
用这个比值判敛法
就没法确定它的敛散性结论
还需要进一步的
用其他的方法进行判定
这就是所谓的
比值判敛法的极限形式
也是我们在判断
正项级数敛散性时
最常用的一个判敛方法
下面我们给出定理10的证明
先证第一种情况
如果极限值r大于等于0 小于1
因为r是小于1的
所以我们能够找到
一个大于0的数ε
使得r加ε这个确定的值
也是小于1的
根据极限的定义
也就是说因为Un加1比上Un
在n趋向无穷时的极限等于r
那么对于我们上边找到的那个ε
我们知道一定存在一个正整数N
只要n大于N
那么Un加1比上Un
它就应该小于
极限值r加上这个ε
这样我们就得到了
只要n充分大
那么Un加1比上Un
它就小于一个小于1的确定的值
那么利用比值判敛法的一般形式
也就是定理9
我们就得到了在这个条件下
以Un为通项的级数是收敛的
下面我们给出第二种情形的证明
如果极限值r大于1
同样的
我们会找到一个大于0的数ε
使得r减ε是大于1的
我们利用极限的定义
在Un加1比上Un
它的极限等于r的前提下
我们就能找到一个N
只要n大于N
那么这个比值
它就一定大于它的极限值减掉ε
也就是说
这个时候只要n充分大
那么 Un加1比上Un
它就大于一个大于1的确定的值
那么利用比值判敛法的一般形式
也就是定理9
我们就知道在这个条件下
以Un为通项的级数
它是发散的
特别的在给定条件下
我们能够得到当n大于N时
Un就大于r减ε的n减N次方
再乘上uN
因为r减ε是
一个大于1的确定的值
所以我们就得到了
在n趋向无穷时
Un是个正无穷大量
关于第三种情形
我们可以通过两个具体的级数
来进行说明
我们知道以n分之1和
n的平方分之1
做通项的t级数
他们后一项与前一项的比值极限
都是等1的
但是 前面的级数
也就是调和级数是发散的
而后面这个级数
它是t等于2的t级数
它是收敛的
这说明只有比值的极限等于1
并不能说明相应的正项级数
是收敛还是发散的
下面我们利用
比值判敛法的极限形式
来判断几个具体级数的敛散性
第三 我们判断以n的平方
除上2的n次方做通项的级数
它的敛散性
在这个正项级数里
我们让它的后一项
与前一项做比值
也就等于n加1的平方
再除上2乘上n的平方
我们让n趋向无穷取极限
就得到了后一项
与前一项比值的极限是存在的
而且是等于2分之1
2分之1是小于1的
所以根据比值判别法
我们就知道这个级数
它是收敛的
例4
我们判断以n的阶乘
除上n的n次方做通项的级数
它的敛散性
对这个正项级数来说
我们求它的后一项
与前一项比值
在n趋向无穷时的极限
也就是求n除上
n加1括起来n次方
它的极限
我们对它进行变形
也就变成了要求
1除上括号里面1加n分之1
再括起来n次方 它的极限
在这个表达式中
分母上在n趋向无穷时
正好是我们学过的重要极限
所以说在这个级数中
后一项与前一项比值的极限
是等于e分之1
e分之1是小于1的
这样就说明了
我们这个级数是收敛的
下面我们介绍正项级数的
根式判敛法
定理11
我们假设以Un为通项的级数
是正项级数
而且当n充分大时
n次根下Un是小于等于q
q是个小于1的确定值
那么在这个条件下
我们就知道以Un为通项的级数
它一定是收敛的
如果当n充分大时
n次根下Un是大于等于1的
在这个条件下我们就知道
以Un为通项的级数
是一定发散的
这就是根式判敛法它的一般形式
也就是通过对正项级数
它的第n项开n次方
利用这个根式的大小来判断
这个正项级数它的收敛性结论
关于这个定理
下面我们给出它的证明
先证第一种情况
当n大于N时
因为n次根下Un是小于等于q的
所以我们就得到了
这个时候Un是
小于等于q的n次方
由于q是大于0小于1的
所以以q的n次方
做通项的几何级数
是收敛的
那么根据比较判敛法
我们就知道
在这个条件下
以Un做通项的级数
也是收敛的
这样就证明了第一种情形
下面我们来证明第二种情形
在n大于N时
因为n次根下Un
总是大于等于1的
也就是说这个时候
Un总是大于等于1的
这说明这个级数的一般项
是不会趋向于0的
它不满足收敛的必要条件
所以这个时候级数一定是发散的
这样我们就证明了定理11的结论
与已知判敛法的形式一样
我们在具体运用根式判敛法时
经常利用它的极限形式
定理12
我们设以Un为通项的级数
是个正项级数
如果n次根下Un
在n趋向无穷时的极限存在
极限值等于r
那么当r小于1时
这个级数是收敛的
当r大于1时
这个级数是发散的
而且这个级数的通项
Un是个正无穷大量
如果极限值等1
这时候这个级数的敛散性
由根式判敛法无法直接给出
还需要做进一步的判定
下面我们给出这个定理的证明
先证第一种情况
如果极限值r小于1
由于r小于1
所以我们可以选取
适当小的一个正数ε
使得r加ε也是小于1的
由于n次根下Un的极限等于r
根据极限的定义
所以存在正整数N
当小n大于N时
我们就有n次根下Un
是小于等于r加ε
由于r加ε是
大于0小于1的一个确定值
所以我们由定理11就会知道
这个时候级数是收敛的
下面我们证第二种情况
也就是极限值r大于1时
由于r大于1
我们同样可以选取
一个适当小的正数ε
使得r减ε也是大于1的
由于n次根下Un的极限等于r
我们根据极限的定义
同样找到一个正整数N
当n大于N时
我们就有n次根下Un
是大于等于r减ε它是大于1的
这样由定理11
我们就知道在给定条件下
以Un为通项的级数一定是发散的
而且这个时候
我们知道Un是
大于等于r减ε的n次方的
而且r减ε是
一个大于1的确定的值
这也就证明了在n趋向无穷时
Un是一个正无穷大量
关于第三种情形
我们同样用通项为n分之1
和n的平方分之1的两个正项级数
来做一个说明
所以这两个正项级数来说
n次根下Un它的极限
都是等于1的
但是我们知道前面这个级数
是发散的
后面这个级数是收敛的
所以当极限值等于1时
我们的根式判敛法
无法直接给出
这个正项级数的敛散性结论
下面我们来看几道具体的题目
例5
我们判断以n的平方
除上2的n次方作通项的
正项级数的敛散性
这个级数在前面的例3中
我们曾用已知判敛法
给出了它的敛散性结论
现在我们再用根式判敛法
来判断这个级数的敛散性
对于这个正项级数来说
n次根下Un
在n趋向无穷时的极限
也就等于n次根下n的平方除上2
在n趋向无穷时的极限
我们知道n次根下n
它的极限是等于1的
所以最后我们要求的极限值
是等2分之1的
2分之1是小于1的
所以这个级数是收敛的
例6
我们判断以1减n分之1括起来的
n的平方次方做通项的正项级数
它的敛散性
对这个正项级数来说
n次根下Un
也就等于1减n分之1的n次方
这个表达式
在n趋向无穷时的极限
我们利用重要极限的结论
就能得到它的极限值
是等于e分之1
e分之1是小于1的
所以这个级数是收敛的
第七个例题
我们判断下面这个级数的敛散性
这个级数的通项是根下an加上3
再除上bn加上1
括起来的n次方
其中ab是大于0的确定的数
对于这个正项级数来说
它的第n项开n次方
也就等于根下a乘上n加3
除上b乘以n再加上1
这个表达式在n趋向无穷时
它的极限是等于根下a除上根下b
这样在a小于b时
这个极限值是小于1的
所以我们的级数是收敛的
在a大于b时
它的极限值是大于1的
所以我们的级数是发散
下面我们来看一下当a等b时
怎么样判断这个级数的敛散性
如果a等于b
极限是等于1的
所以我们无法用根式判敛法
直接得到它的敛散性结论
这个时候我们来看它的第n项
第n项
我们让n趋向无穷
我们利用重要极限
会得到它的通项的极限
是e的a分之1次方是不等0的
这说明当a等b时
这个级数的通项
并不是无穷小量
它不满足收敛的必要条件
所以这个时候级数是发散的
在这一讲中
我们给出了正项级数的
比值判敛法和根式判敛法
两者均是通过几何级数
作为桥梁得到的
也就是说在给定条件下
我们是要将判敛的正项级数
与一个几何级数做比较
利用比较判敛法
得出了相关的敛散性结论
在具体应用时
一般是使用比值判敛法
和根式判敛法的极限形式
由于当后一项
比前一项比值的极限等于r时
其通项开n次方的极限也等于r
所以根式判敛法
它的适用范围更广
但由于开放运算更为复杂
所以比值判敛法
是我们判断正项级数敛散性的
最常用方法
下一讲将介绍交错级数的概念
与交错级数的莱布尼兹判敛法
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