当前课程知识点:微积分(先修课) > 第七章 无穷级数 > 7.4 一般项级数 > 7.4.1 一般项级数(1)
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
第四节 一般项级数
我们已经学习了
正项级数的判敛法
本讲将研究级数既有正数项
也有负数项
且正负项交替出现的情况
这就是所谓的交错级数
我们首先介绍一下交错级数
首先给出交错级数的概念
所谓的交错级数指的是
级数中的项是一正一负的
相间出现
比如通项是-1的n加一次方
除上这个级数
它的项就是
1减掉二分之一
加三分之一
再减四分之一等等
这就是一个具体的
交错级数的例子
我们写出定义
也就是如果Un大于0
那么-1的n减1次方
乘上Un做通项的级数
我们就称作是交错级数
下面我们介绍
交错级数的判敛法
交错级数的判敛法
定理13
我们假设正数列Un
当n充分大时
满足第一个条件
Un大于等于Un加1
第二个条件
Un在n趋向无穷时的极限
等于0
在这两个条件下我们就知道
交错级数也就是通项是
-1的n加1次方
乘Un的交错级数
他一定就是一个
收敛的级数
这个判敛法我们
一般就称作是
交错级数的Leibniz判敛法
而这个判敛法我们一般称作为
交错级数的Leibniz判敛法
这个判敛法中的两个条件
我们一般就称作为
Leibniz条件
定理13
说的就是如果交错级数
他是满足Leibniz条件的
那么这个交错级数
就一定是收敛的
下面我看一下定理13的证明
我们不妨假设N就等于1
我们来考虑这个交错级数的
前2m项的部分和
s2m也就等于
u1减u2加上u3减u4
一直加到u2m减1减去u2m
在给定的第一个条件下
我们知道这个表达式中
每个括号里的值都是非负的
所以s2m就大于等于s2m减2
也就是s2m是一个
单调递增的数列
我们重新对s2m的
表达式做一个表示
也就是说我们把它表示成
u1减掉括号里面
u2减u3这样一直减到
括号里面u2m减2
减去u2m减1
在减去最后一项u2m
大家注意到在给定条件下
我们每一个括号都是非负的
我们将这些被减的正数去掉
就把s2m放大
放大到u1
这样就证明了
在给定条件下
数列s2m是一个单调递增的
有上届的数列
所以他的极限是存在的
我们记它的极限值就等s
由于s2m加1就等于
s2m加上u2m加1
考虑到我们定理中的
第二个条件
u2m加1的极限是等0的
这样我们就得到了
s2m加1的极限
就等于s2m的极限
也就等于s
根据数列极限与子列极限的关系
在s2m和s2m加1
这两个特殊子列
极限相等的条件下
我们就得到了
sn的极限就等于s
也就是说在给定的两个条件下
我们的交错级数是收敛的
这就是Leibniz判敛法的证明过程
下面我们来看几个具体的例子
例1
我们判断下面这个级数
它的敛散性
这个级数是一个交错级数
我们为了判断他的敛散性
我们首先验证他是否满足
Leibniz条件
在这个交错级数中
Un是等于n分之一的
n分之一当然是一个单调下降
而且趋向于0的数列
所以他是满足
Leibniz判敛法中的条件的
所以这个交错级数
他是收敛的
例2
我们判断下面这个级数
它的敛散性
这个级数它的通项是
负1的n加1次方
乘上n的自然对数
在除上n
这当然也是一个交错级数
对这个交错级数来说
我们为了验证
它的通项也是满足
Leibniz条件的
我们考虑函数f(x)
等于lnx比上x
因为f一撇x
就等于1减lnx
除上x平方
所以只要x大于e
导数就是小于0的
这就说明了
这个函数是个单调下降的函数
也就说明了
只要n大于等于3
那么Un就大于Un加1
这样就验证了
我们Leibniz判敛法中的
第一个条件
同样我们知道lnx比上x
在x趋向正无穷是的极限
是等0的
这样我们又证明了Un
在n趋向无穷时的极限
等于0
这就是Leibniz判敛法中
第二个条件
这样我们就证明了这个
交错级数是满足
Leibniz条件的交错级数
所以他是收敛的
例3
我们判断下面
这个级数的敛散性
这个级数的通项是
-1的n减1次方
除上n的2加上-1的n次方次方
这个级数是一个交错级数
而且他的通项是趋向于0的
但是他的第2m项的绝对值
是2m的3次方分之1
而他的第2m加1项的绝对值
是2m加1分之1
我们可以看出
他通项的绝对值
是没有单调性的
也就是说这个交错级数
他并不满足Leibniz判敛法的
判别条件
为了给出这个交错级数的敛散性
我们将它进行重组
考虑这个级数的一个重组
也就是两两加括号
在这个重组级数中
由第一项做通项构成的级数中
是发散的
而第二项它构成的是收敛的
所以这个重组级数
是一个发散级数
这就说明
原来的级数也是发散的
这个结论的得到
利用的是
如果原来的级数是收敛的
那么他的任何一个重组级数
都是收敛的
例4
我们判断下面
这个级数的敛散性
这个级数的通项是-1的
n次方除上
根下n加上-1的n次方
在这个交错级数中
他的通项趋向于0
也是显然的
同样他通项的绝对值
也是没有单调性的
所以这也是一个并不满足
Leibniz条件的交错级数
下面我们给出
这个级数判敛的方法
我们考虑这个交错级数
他前2n项的和
在这个表达式中
每一个括号都是小于0的
这说明s2n这个说列
是单调递减的
我们为了证明他有极限
我们只要在说明
他有下届就行了
为了说明他有下届
我们把这个表达式中
相邻的两项前后交换位置
重新做组合
就会得到s2n等于
负的根下2分之1
加上括号里面
根下3分之1减去
根下4分之1
这样一直加到
括号里面
根下2n减1分之1减去
根下2n分之1
最后再加上
根下2n加1分之1
大家知道每一个括号
都是大于0的
最后一项也是大于0的
我们将这个表达式中
这些大于0的项全扔掉
也就把它缩小到
负的根下2分之1
这样就说明了
s2n是一个单调下降
而且有下届的数列
所以他的极限是存在的
由于s2n加1
就等于s2n加上
u2n加1
u2n加1他是趋向于0的
这样就证明了
s2n加1和s2n的极限
是相等的
所以sn的极限是存在的
也就是说这个交错级数
他是一个收敛的交错级数
下面我们来介绍一下
交错级数的余项估计
我们假设u1减u2
加u3减u4等等
是一个满足Leibniz条件的
交错级数
下面我们就估计
用他的部分和
sn来近似它的级数和的误差
我们记Rn就等于
级数的和S减去
它的部分和sn
那么Rn的绝对值
也就等于
Un加1减去Un加2
加上Un加3再减去Un加4等等
在这个等式的右边
牵扯到的级数仍然是一个
Leibniz条件下的
交错级数
也就是一个收敛的交错级数
而且这个级数和
我们对他进行放大之后
他就小于Un加1
这样我们就得到了
下面这个结论
定理14
假设正数列Un
当n大于N是满足
un大于un+1 un极限等
于零 那么我们用前
n项和来近似这个奇数和
它的误差绝对值就小于un+1
也就是在Leibniz条件下的
交错奇数 我们用它的部
分和近似这个奇数的和
能够得到一个很明确的误差
估计公式
下面我们利用
定理14来处理一道具体的题目
例5 如果用前n项
估计下面奇数的和
这个奇数的通向是
—1的n+1次方
图上n如果要使得误差小于
0.001 问至少需要取多少项
在这个问题中
我们的奇数是一个
满足Leibniz条件的
交错奇数
所以由定理14我们就知道
用它的前n项近似奇数和
的误差应该是满足rn绝对值
就小于这个奇数第n+1项的
绝对值也就是
小于n+1分之一
如果要是误差
小于 0.001也就是要使的
rn小于一千分之一
在上面这个不等式中
我们知道只要
取n=999就可以达到这个要求
这就是我们求得的结果
在这一讲中
我们介绍了交错级数的概念
给出了交错级数的
莱布尼兹判敛法
在莱布尼兹条件下
我们不仅知道交错级数是收敛的
而且还得到了利用部分和
近似级数和的误差估计
这是交错级数的一个重要结果
当交错级数不满足莱布尼兹条件时
要研究这类级数的收敛性
莱布尼兹判敛法的证明思想
和证明方法
就具有重要的示范作用
下一讲将介绍一般项级数
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