当前课程知识点:微积分(先修课) > 第七章 无穷级数 > 7.5 幂级数 > 7.5.1 幂级数
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
第五节幂级数
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
函数项级数有关概念
我们考虑定义的区间/的函数列
f1 f2 f3等等
对于x中的一点x0
我们相应的就会得到一个数列
f1x0 f2x0 f3xo
如果fnx0这个数列是收敛的
我们就称x0
是函数列fnx的一个收敛点
如果数列fnx0发散
则称x0是函数列fnx的发散点
函数列fnx的
所有收敛点的集合
叫做这个函数列的收敛域
在函数列的收敛域上
我们记fx是fnx
在n趋向无穷时的极限
那么fx就是一个函数
这个函数
我们将它称作是
函数列的极限函数
下面我们看一道具体的例题
我们考虑定义在
区间01上的函数列
xn次方
当x大于等于0 小于1时
对任意的x来说
fnx在n趋向无穷时
它的极限都等于0
当x等于1时
fnx在n趋向无穷时的
极限就等于1
这样我们就得到了
这个函数列
在01区间上每一点
都收敛的结论
而且我们能够知道
它的极限函数fx
是一个分段表述的函数
也就是说当x大于等于0
小于1时
极限函数的函数值
是等于0的
当x等于1时
极限函数的函数值就等于1的
在这个例题中
有一个现象需要大家注意
我们知道fnx等于xn次分
这个函数在任意点都是连续的
而他的极限函数fx
在x等1这点显然是间断的
关于这个性质
在后边我们讨论
函数项级数的和函数时
需要特别的注意
下面我们给出
函数项级数的一般定义
定义6
我们假设Unx
是定义的区间/上的函数序列
我们称U0x加上U1x
一直加 加到Unx 继续加
称这个形式和是
区间/的一个函数项级数
我们记作Unx
关于n从0到无穷求和
在这个定义中Unx
成为是这个函数项级数的通项
Snx 也就是Ukx
对k从0到n求和
我们得到的这个Snx
称作是函数向级数的部分和
或者是部分和函数
有了函数项级数的定义之后
下面我们给出
函数项级数的收敛点
收敛域 以及和函数的概念
定义7
如果数项级数U0x0
加上U1x0 一直加下去
这个数项级数是收敛的
我们就称x0是函数向级数
U0x加上U1x一直加下去
就称作是这个函数
向级数的收敛点
也就是说在函数项级数里边
我们将x取作是一个具体的点x0
它就对应着一个数项级数
如果这个数项级数收敛
那么x0就称作是
这个函数向级数的收敛点
函数向级数的所有收敛点
构成的集合
称为它的收敛域
在收敛域上
我们记sx就等于
它对应的级数的和
那么sx
就称为是这个函数
向级数的和函数
下面我们看一下
一个具体函数项级数的收敛域
以及和函数的求法
例2
我们求xn次方
做通项的函数向级数的收敛域
以及它的和函数
我们知道对任意的实数
x xn次方做通项的级数
是一个几何级数
当x大于负1 小于1时
这个几何级数是收敛的
而且它就收敛的1除上1减x
当x的绝对值大于等于1时
这个几何级数是发散的
所以这样我们就
得到了以x的n次方
做通项的函数向级数
它的收敛域是负1到1开区间
在收敛域上
它对应的数项级数的和
就等于1除上1减x
也就是这个函数向级数的和函数
sx就等于1减x分之1
和函数的定义域
就是这个函数向级数的收敛域
下面我们看例3
我们求下面这个
函数向级数的收敛域
这个函数向级数的通项
是1除上n加上xn次方
我们考虑的范围是x大于等于0
首先我们看如果x大于等于0
小于等于1
这个时候
这个函数项级数的通项
与n分之1的比值
在n趋向无穷时的极限是等1的
我们知道以n分之1
做通项的调和级数
是发散的
所以根据正项级数的判敛法
我们知道这个时候函数向级数
也是发散的
在x大于1时
我们这个正项级数
它的后一项与前一项的比值
在n趋向无穷时的极限
就等于x分之1
这时候x分之1是小于1的
所以这个函数项级数
在x大于1时
是收敛的
这样我们就知道
我们要求的
这个函数项级数的收敛域
就是1到正无穷
这个无穷期间
我们给出了
函数向级数的概念之后
对于一个函数项级数
我们关心的主要问题是
它的收敛域是什么样的
它如果收敛时
它的和函数又有什么样的性质
说得更具体一点
就是我们要关心
和函数的连续性
也就是说有
通项Un的连续性
我们能否保证
和函数也是连续的
从运算的角度来讲
也就是要证明
能否保证无穷和运算
与极限运算是否
有交换率的问题
也就是我们能否将有限的函数
加法运算的极限性质
推广到无穷多个函数的
求和运算中来
这是我们关心的第一个问题
我们关心的第二个问题是
和函数的可积性
也就是有通项Unx可积
能否保证和函数sx也是可积的
在和函数可积时
我们是否有先求和后做积分
就等于先做积分 后求和
也就是说无穷和运算
与积分运算
是否满足交换域
这个性质强调的就是
能否将有限的函数
求和的积分运算性质
推广到无穷多个函数
求和的问题中来
我们关心的第三个问题
是和函数的可导性
也就是有通项Unx可导
能否保证和函数sx可导
在和函数可导时
是否有先求和后求导
与先求导后求和是相等的
这个性质强调的自然是
有限的函数求和的导数运算
能否直接推广到无穷多个函数
求和中来
这是我们考虑函数向级数时
特别关注的和函数的
三个方面的有关性质
对一般的函数项级数来说
我们讨论这三个性质
都非常复杂
已经超出了本课程的要求
在本课程中
我们只讨论一类
特殊的函数项级数
这就是下面我们要介绍的幂级数
我们来介绍幂级数的有关概念
先给出幂级数的定义
定义8
我们将a0加上a1
乘上括号里面x减x0
一直加到an乘上x减x0的n次方
我们就把这个无穷的形式和
对应的函数向级数
称为是x0处的幂级数
我们记作an乘上x减x0的n次方
关于n从0到无穷求和
如果我们考虑的是a0加上a1乘x
一直加到an乘上xn次方
这个形式和
对于这样的函数向级数
我们就称作是0这点的幂级数
我们用记号an乘上xn次方
关于n从0到无穷求和来表示
从幂级数的定义
我们知道幂级数
实际上是一类特殊的函数向级数
它是按升幂顺序排列的
一个无穷数多项式
幂级数它的定义域
是负无穷到正无穷
而且我们知道任何一个幂级数
他的收敛域都是非空的
至少x0点的幂级数
x0是它的收敛点
0这点的幂级数
0就是它的收敛点
下面我们给出
幂级数的收敛区间的概念
首先我们看几道例题
例4
我们求下面这个幂级数的收敛域
这个幂级数它的通项是
xn次方除上n的阶乘
对于任意一个给定的非0的x
我们利用正项级数的比值判敛法
也就是我们考虑这个幂级数
它的绝对值级数
后一项与前一项比值的极限
这个极限是等于0的
也就是说对任意的
不等于0的x来说
这个级数都是绝对收敛的
x等0当然是
这个幂级数的收敛点
这样我们就知道
这个幂级数对所有的x
都是绝对收敛的
所以他的收敛域
就是负无穷到正无穷
我们再看下一道例题
例5
求下面这个幂级数的收敛域
这个幂级数的通项
是xn次方除上n
我们仍然对它的绝对值级数
用比值判敛法
后一项与前一项比值的绝对值
在n趋向无穷时的极限
就等于x的绝对值
那么根据比值判敛法
我们知道当x绝对值小于1时
原来的级数是绝对收敛的
当x绝对值大于1时
因为它的绝对值级数的通项
是正无穷大量
所以级数本身
并不满足收敛的必要条件
也就是说在x的绝对值大于1时
级数是发散的
这样我们在考虑
x绝对值等于1的情况
如果考虑的是x等于1
这时候级数就变成了调和级数
它是一个发散级数
如果x等于负1时
级数就变成了
一个莱布尼兹条件下的
交错调和级数
它就是收敛的
讨论到这我们就知道
这个幂级数它的收敛域
就是负1到1 半闭半开区间
下面我们看第六题
我们求下面这个幂级数的收敛域
这个幂级数它的通项是n的阶乘
乘上x的n次方
在x不等零时
它的绝对值级数的后一项
与前一项的比值的极限
是不存在的
是个正无穷大量
所以在x不等0时
这个级数永远是发散的
也就是说这个幂级数
只有一个收敛点
就是x等0
所以它的收敛域
就只有一个元素 0的一个点积
通过这三道例题
我们可以看出
一个幂级数他的收敛域
有时候是全体实数
有时候是只有一个点的独点集
如果不是这两种情况
下面我们可以证明
就会在一个以原点为中心的
k区间上
这个幂级数是绝对收敛的
而在这个k区间之外
它是发散的
下面我们就给出
与幂级数的收敛域有关的
两个结论
定理19
如果在0这点的幂级数
存在一个非0的收敛点c
那么当x绝对值小于c的绝对值时
这个幂级数就是绝对收敛的
如果在0这点的幂级数
存在一个发散点d
那么当x的绝对值
大于d的绝对值时
这个级数就是发散的
这个定理
我们一般把它称为是Abel定理
下面我们来证明定理19
先证第一个结论
因为幂级数在c这点收敛
所以an乘上c的
n次方极限等于0
也就是说
这是一个极限存在的收敛
因为有极限的收敛
一定是有限列
所以我们存在一个大于0的m
使得对所有的n来说
an乘上c的n次方的绝对值
是小于m的
当x的绝对值小于c绝对值时
我们将an乘上
x的n次方的绝对值
写成an乘上
c的n次方的绝对值
再乘上x的n次方
除上c的n次方
也就小于M乘上x
比上c的绝对值的n次方
因为x比上c的绝对值是小于1的
所以以M乘上x比上c的绝对值的
n次方做通项的级数是收敛的
根据正项级数的比较判敛法
我们知道这个时候幂级数
是绝对收敛的
下面我们在证这个定理的
另外一个结论
假如存在一个x
使得x的绝对值大于d的绝对值
而且幂级数在x这点是收敛的
由第一个结论
我们知道这个幂级数
一定在x等d这点
是绝对收敛的
至于幂级数在b这点
是发散的
矛盾
所以当x的绝对值
大于d的绝对值时
幂级数一定是发散的
这样我们就证明了Abel定理
有了Abel定理之后
我们不加证明的
给出另外一个结论
定理20
如果在0这点的幂级数
既存在非0收敛点
又存在发散点
那么就存在唯一的正实数R
这个正实数
它满足下面两个条件
当x绝对值小于R时
幂级数是绝对收敛的
当x的绝对值大于R时
幂级数是发散的
有了这个定理之后
如果幂级数没有非0收敛点
我们就规定R等于0
如果幂级数没有发散点
我们就规定R等于正无穷
那么这样我们就知道
任何一个幂级数
它与0到正无穷之间
是建立了一个一一的对应关系
这个对应关系
也就是任何一个
幂级数对应着这么一个量
这个量满足上面两个性质
也就是x绝对值
小于这个量时
级数是绝对收敛的
x的绝对值大于这个量时
级数是发散的
一般的满足
这两个条件的这个量R
就称为幂级数的收敛半径
定义9
对于0这点的幂级数
如果非负量R满足
当x绝对值小于R时
幂级数是绝对收敛的
当x绝对值大于R时
幂级数是发散的
我们就称R是
这个幂级数的收敛半径
我们规定开区间负R到R
就是这个幂级数的收敛区间
关于幂级数的
收敛半径和收敛区间
我们做如下说明
第一个需要说明的是
尽管我们是关于0这点的幂级数
给出收敛半径的定义
同样的我们也可以给出
x0这点幂级数的
收敛半径的概念
和收敛区间的概念
需要说明的第二点的情况
有了定理20
和前面的补充之后
我们知道一个幂级数
它的收敛半径
是存在而且唯一的
关于收敛区间端点的收敛性情况
要具体级数具体讨论
根据收敛半径的定义
我们知道幂级数
条件收敛的点
只可能在收敛区间的端点上取得
有了收敛区间之后
我们只需要再考虑
收敛区间端点的收敛性情况
就能得到这个幂级数的收敛域
下面我们来看一下
对于简单的幂级数
他收敛半径的一般求法
幂级数的收敛半径的求法
从理论上讲
幂级数的收敛半径
我们一般就是
使用正项级数的比值判敛法
根式判敛法
以及收敛半径本身的概念来求得
求幂级数收敛域时
需要单独考虑收敛区间
两个端点的收敛性
下面我们来看几个具体的题目
例7
我们求下面这个幂级数的
收敛半径和收敛域
这个幂级数它的通项是
n除上3的n次方
再乘上x减1的n次方
这是1这点的一个幂级数
我们利用比值判敛法
考虑这个幂级数
后一项与前一项比值的
绝对值的极限
这个极限我们求出来是3分之1
乘上x减1的绝对值
我们知道当3分之1
乘上x减1的绝对值小于1
也就是x减1绝对值小于3时
这个幂级数是绝对收敛的
当3分之1乘上x减1的
绝对值大于1
也就是x减1的绝对值大于3时
这个幂级数的通项
是不趋向于0的
它是发散的
那么根据收敛半径的定义
我们知道这个幂级数的收敛半径
R就等于3
收敛区间就是以1为中心
半长为3的开区间
也就是开区间负2到4
下面我们考虑这个幂级数
在收敛区间端点的收敛情况
当x等4时
幂级数变成一个通项是
n的数项级数
它是发散的
当x等负2时
幂级数变成是
一个通项是负1的n次方
乘上n的数项级数
它也是发散的
所以这个幂级数的收敛域
与它的收敛区间是一样的
就是开区间负2到4
下面我们看例8
我们求下面
这个幂级数的收敛半径
和收敛域
这个幂级数的通项
是负1的n减1次方
乘上x减4的2n次方
除上n 乘上9的n次方
我们同样利用比值判敛法
考虑这个幂级数
后一项与前一项比值的绝对值
在n趋向无穷时的极限
这个极限我们求出来是
x减4的平方
除上9
根据比值判别法
我们知道当这个极限小于1
也就是x减4小于3时
幂级数是绝对收敛的
当这个区间大于1
也就是x减4大于3时
这个幂级数它的通项
是不趋向于0的
所以幂级数是发散的
我们根据收敛半径的定义
就可以知道
这个幂级数的收敛半径R
是等于3的
收敛区间是一个以4为中心
半长为3的开区间
是1到7
下面我们再考虑
在收敛区间端点的收敛性
当x等1 或者是x等7时
幂级数都变成了一个数项级数
这个数项级数它的通项
是负1的n减1次方除上n
这是一个满足
莱布尼兹条件的交错级数
所以我们最后求得的收敛域是
1到7这个b区间
上边我们介绍的两道例题
它求收敛半径的方法
也是我们处理一般的幂级数
收敛半径问题的常用方法
也就是说对幂级数来说
我们往往利用
正项级数的比值判敛法
或者是根式判敛法
以及收敛半径的概念
来求它的收敛半径
对简单幂级数来说
有时候我们也用下面的方法
来求收敛半径的大小
也就是说对以anxn次方
为通项的幂级数来说
如果我们知道an加1比上an
这个绝对值的极限存在 等于c
那么我们可以得到
这个幂级数的收敛半径
就是R等于c分之1
也就是说在这个
an比上an加1的比值
绝对值极限存在时
这个极限值
就是我们对应的
幂级数的收敛半径
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
是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
绝对收敛的级数
满足加法运算的交换率
我们知道条件收敛级数
是既不满足加法运算的交换率
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
函数向级数
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