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 > 7.4.2 一般项级数(2)
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
前面我们学习的正项级数
和交错项级数
都是特殊的数项级数
本讲将介绍一般的数项级数
我们将介绍
绝对收敛和条件收敛的概念
并给出绝对收敛与条件收敛的关系
我们首先介绍
一般项级数的绝对值判敛法
我们介绍一下绝对收敛
与条件收敛的概念
定义5
如果以an的绝对值
为通项的级数是收敛的
我们就称以an为通项的级数
是绝对收敛的
如果以an为通项的级数本身收敛
以an的绝对值为通项的级数
是发散的
我们就称以an为通项的级数
是条件收敛的
关于级数的绝对收敛与条件收敛
我们需要说明的是
对级数的通项不变号的级数
收敛与绝对是等价的
但对通项变号的级数
收敛与绝对收敛的关系
对不同的级数来说
则是各不相同的
比如我们考虑交错级数
它的通项是负1的n加1次方
乘上n的平方分之1
这个级数它本身是收敛的
同时 它的绝对值级数
也是收敛的
也就是说它既是收敛的
也是绝对收敛的
而对于交错调和级数
也就是通项是负1的n加1次方
乘上n分之1这样的级数
它是满足
莱布尼兹条件的交错级数
所以它本身收敛
但是它的绝对值级数是调和级数
调和级数并不收敛
所以这个级数是收敛
但并不是绝对收敛的
下面我们给出绝对值判敛法的内容
定理15
如果以an的绝对值为通项的级数
是收敛的
那么以an为通项的级数
就一定是收敛的
也就是说如果
一个级数是绝对收敛的
那么这个级数本身就是收敛的
下面我们给出这个判敛法的证明
我们知道根据绝对值的定义
an是介于它绝对值的负值
和它绝对值之间的
所以an加上an的绝对值
它是大于等于0
小于等于2倍的an的绝对值
在给定条件下
因为以2倍的an的绝对值
做通项的级数是收敛的
所以根据正项级数的比较判敛法
我们就知道以an
加上an的绝对值做通项的级数
也是收敛的
因为an我们可以表示成
an加上an的绝对值
再减去an的绝对值
根据收敛级数的线性运算性质
我们知道两个收敛级数
它的通项求和
得到的新的级数也是收敛的
这样我们就知道
以an做通项的级数
是一个收敛级数
这样我们就证明了定理15的结论
下面我们看几道例题
例1
我们判定以下三个级数
它是不是绝对收敛的
是不是条件收敛的
或者是它是不是发散的
首先对第一个级数
我们考虑它通项的绝对值
对第一个级数来说
sinn比上n的平方它的绝对值
是小于等于n的平方分之1
我们知道n的平方分之1这个级数
本身是收敛的
所以根据正项级数的比较判敛法
我们就知道
以sinn除上n的平方的绝对值
做通项的级数也是收敛的
这就说明第一个级数
它是绝对收敛的
我们再来看第二个级数
第二个级数是交错级数
而且我们容易验证
它是满足莱布尼兹条件的
所以第二个级数
本身是一个收敛级数
而它的绝对值级数
它的通项是1除上3次根下n
这是一个t等于3分之1的t级数
所以是一个发散级数
也就是说第二个级数本身收敛
但它的绝对值级数是发散的
所以他是条件收敛的
我们再来看第三个级数
第三个级数
首先我们考虑他的绝对值级数
对它的绝对值级数
我们用根式判敛法
也就是要求它的第n项的开n次方
然后让n趋向无穷 取极限
对于这个级数来说
这个极限值应该等于4分之3
4分之3是小于1的
所以根据正项级数的根式判敛法
我们知道第3个级数
它的绝对值级数是收敛的
也就是说第三个级数是绝对收敛的
下面我们看一下例2
我们判断下面这个级数的收敛性
这个级数的通项是n的a次方
乘上b的n次方
其中ab是两个实数
首先如果实数b是等于0的
这个时候级数的通项
都是等于0的
所以级数是收敛的
当参数b不等于0时
我们对它的绝对值级数
用比值判敛法
我们知道它绝对值级数的后一项
与前一项比值的极限
是等于b的绝对值
所以当b的绝对值小于1时
我们知道原来的级数是绝对收敛的
当b的绝对值大于1时
因为它的绝对值级数的通项
是个正无穷大量
所以级数本身的通项
并不满足收敛的必要条件
级数本身是发散的
当b的绝对值等于1
也就是当b等正1
或者是负1时
如果b是等于正1
那么我们原来的级数
就变成了一个通项
是n的负a次方分之1的t级数
只有在负a大于1
也就是a小于负1的时候
它是收敛的
其他情况它都是发散的
当b等于负1时
我们原来的级数
就变成了一个通项是负1的n次方
除上n的负a次方
这样一个交错级数
这个交错级数
只要负a大于0
也就是a小于0
它就满足莱布尼兹条件
所以在a小于0时
它是收敛的
其他情况它是发散的
下面我们来介绍一下
绝对收敛级数的有关性质
首先看第一个性质定理16
我们记an正等于2分之1
括号里面an加上an的绝对值
an负等于2分之1
括号里面an减掉an的绝对值
根据绝对值的定义
我们知道an正表示的是
an中的非负项
而an负表示的是an中的非正项
有了这两个记号之后
我们就有下面两个结论
第一个结论以an正为通项的级数
绝对收敛
它的充分必要条件是以an正
和以an负为通项的级数
都是收敛的
第二个结论是
以an为通项的级数
是条件收敛的
它的必要条件
也就是说它一定能退出以an正
和以an负为通项的级数
都是发散的
一个负项级数
和一个正项级数发散
也就是指的负项级数
它应该是个负无穷大量
正项级数应该是个正无穷大量
下面我们给出定理16的证明
首先我们证第一个结论
先证它的充分性
根据an正和an负
它的定义我们知道
an的绝对值
就等于an正减去an负
我们现在的条件是
an正和an负为通项的级数
都是收敛的
那么利用收敛级数的
线性运算性质
我们就知道
以an的绝对值为通项的级数
也是收敛的
也就是说以an为通项的级数
是绝对收敛的
这样我们就证明了充分性
下面我们看必要性的证明
根据an正和an负的定义
我们知道an正是大于等于0
小于等于an的绝对值
负的an负也是大于等于0
小于等于an的绝对值
这个时候我们的条件是
以an的绝对值
为通项的级数是收敛的
所以根据正向级数的比较判敛法
我们就知道以an正和以an负
为通项的级数也都是收敛的
这就是必要性的证明
下面我们来证第二个结论
因为an正是等于2分之an
加上an的绝对值
an负是等于an减去an的绝对值
如果以an为通项的级数
是条件收敛的
也就是说以an
为通项的级数本身收敛
而以an的绝对值为通项的级数
是发散的
那么这样我们就得到了
以an正和以an负为通项的级数
应该都是发散的数项级数
由于an正的部分和
是个单调递增的
它如果发散意味着他没有上限
所以它一定是正无穷大量
同样的以an负
为通项的级数的部分和
是单调递减的
它如果发散
就说明它的部分和没有下界
所以它就是负无穷大量
下面关于绝对收敛
我们不加证明的
给出绝对收敛级数的两个性质
一个是重排性质
一个是乘法运算
关于重排性质
我们看定理17
如果以an为通项的级数
是绝对收敛的
以bn为通项的级数
是以an为通项级数的一个重排
我们的结论是
以bn为通项的级数
也是绝对收敛的
而且这个级数的和
与原来级数的和是相等的
也就是说对于
绝对收敛的级数来说
交换它里面任意项的顺序
并不改变它的收敛性
也不改变他的和的大小
关于这个定理
我们需要做以下两点说明
第一点说明
所谓的bn为通项的级数
是an为通项级数的一个重排
指的是数列b1 b2 b3它的项
只是数列a1 a2 a3的
重新排列得到的
通俗的讲
就是说通过改变
一个级数中某些项的顺序
就会得到这个级数的
一个重排级数
我们需要说明的第二点是
定理17说的是在绝对收敛的前提下
级数的运算是有交换律的
也就是说在绝对收敛时
我们可以把
有限个数求和的交换律
直接推广到
无穷多个数的运算中来
另外对于一般的收敛的级数
级数的和是否重排后也不变
事实上只有绝对收敛的级数
才有这样的性质
我们看下面
一个条件收敛的例子
我们考虑交错调和级数
也就是1减去2分之1
加3分之1 减去4分之1等等
我们知道这个级数
它本身是条件收敛的
这个级数它的所有的正数项的和
也就是1加3分之1 加5分之1
这样一直加下去
它是一个正无穷大量
同样的 它的所有负数项的和
也是一个负无穷大量
现在我们可以找
一个这个级数的重排方式
使得重排完之后的级数
是趋向于正无穷的
首先我们将这个级数中
所有的正数项用括号进行分组
每组的和要求是大于
或者是等于1
比如说我们分成第一项是1
第二项是3分之1
一直加到15分之1等等
因为所有的正数项加起来
是一个正无穷大量
所以我们一定能做到这一点
将正数项进行分组之后
下面我们做如下重排
在上面的每一组之后
我们插入一个负数项
也就是在1之后
我们插入负2分之1
在3分之1加到15分之1之后
我们插入负4分之1
按照这个原则
我们就得到了
这个级数的一个重排
对于这个重排来说
我们知道一组正数之和之后
插入一个负项
因为每一组正数之和
是等于大于1的
而插入的这一个负项
是趋向于0的
这样我们就可以得到这种重排
就使得每一个正数与一个负数项
综合在一起
它是越来越靠近1的
所以他们的和
是趋向于正无穷大的
这就是一个条件收敛的级数
经过重排之后
它不仅不收敛了
而且它还可以是一个
正无穷大量的例子
事实上关于条件收敛的级数
在分析学上有一个很著名的结论
就是所谓的Riemann定理
Riemann定理它的内容是
它说如果以an为通项的级数
是条件收敛的
那么对于任意的实数x
总会在这个条件
收敛级数的一个重排级数bn
使得这个重排级数是收敛的
而且它的和是等于x的
特别的这个条件收敛的级数
是存在发散的重排级数的
Riemann定理就说
对于条件收敛的级数来说
它是没有交换律的
下面我们介绍绝对收敛级数的
另外一个性质
我们假设以Un和Vn为通项的级数
都是绝对收敛的
而且它们的和分别是A和B
那么所有的ui乘上vj
按任意顺序得到的级数
也是绝对收敛的
并且这个级数的和就等于A乘B
我们可以写作以Un为通项的级数
乘上以Vn为通项的级数
它是收敛的
它的和就等于A乘B
这是关于绝对
收敛级数的惩罚运算性质
对一般的条件收敛的级数来说
两个条件收敛的级数
做完乘积之后
得到的级数是否收敛
如果收敛时
它的和等于多少
我们都没有一般的结论
对于绝对收敛的级数
我们有它的乘积级数是收敛的
而且它的和就等于
原来两个级数和的乘积
通过前面我们介绍的几个结论
我们可以体会到绝对收敛
是级数一个更强的性质
在这个性质下
我们可以将
有限个数的一些运算律
直接推广到
无穷多个数的运算中来
如果级数只是条件收敛的
那么有限个数的相关运算律
则不见得就能直接推广到
无穷多个数的运算中来
在这一讲中
我们给出了级数绝对收敛
和条件收敛的定义
证明了绝对值判敛法
介绍了绝对收敛的充要条件
和条件收敛的必要条件
给出了绝对收敛级数的重排性质
和乘积级数的收敛性结论
绝对值判敛法
是我们处理一般项级数
收敛性的常用方法
在具体应用时
一般是对其绝对值级数
使用正项级数的比值判敛法
当后一项与前一项的绝对值的比值
极限小于1时
级数是绝对收敛的
当后一项与前一项绝对值的比值
极限大于1时
因为通项的绝对值
是正无穷大量
所以级数本身是发散的
重排性质说明的是规律收敛的级数
满足加法运算的交换律
我们知道条件收敛级数
是既不满足加法运算的交换律
也不能得到他们
乘积级数的收敛性结论
在下一讲中
我们将开始介绍
一类特殊的函数项级数
也就是幂级数
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