当前课程知识点:微积分——极限理论与一元函数 > 第八章 级数 > 第二节 正项级数的收敛判别法 > 正项级数的根式判敛法
前面我们介绍了
正向级数的比值判敛法
我们知道正项级数的比值判敛法
只与正项级数的通项本身有关
所以我们说
它是我们在微积分课程里面
处理正项级数收敛性时
最常用的判敛法
实际上与比值判敛法类似
我们还有一个判敛法
它也是只用到了
正项级数的通项本身
这也就是我们要介绍的
根式判敛法
根式判敛法的内容
我们写成一个定理
根式判敛法我们写成一个定理
内容是 若an>0
而且an开n次方之后它的极限等于c
那么我们得到的第一个结论就是
当c小于1时
以an为通项的级数是收敛的
如果c是大于1 或者是说
这个开方之后它是个正无穷大量
那么以an为通项的级数是发散的
而且我们知道这个时候
这个数列an是个正无穷大量
通过根式判敛法的内容
我们可以看出
实际上根式判敛法与比值判敛法
有许多相似之处
比如说 我们也是考虑
与它的通项有关的一个极限
这时候我们看的是它的第n项的值
开n次方的极限
结论与比值判敛法一样
如果这个极限值小于1
那么这个正项级数就是收敛的
如果这个极限值大于1
或者是说尽管它极限不存在
但它是正无穷大量时
这个级数是发散的
而且我们也得到了这个条件下
它的通项是正无穷大量这个结论
那我们先看一下它的证明
第一个结论的证明 实际上
跟比值判敛法的证明也是类似的
也就我们的条件是
n趋向无穷时 n次根号下an
它极限等于c c是小于1的
那么根据极限的定义
我们就知道 一定能存在一个N大于0
当n大于N时 我们就有
n次根号下an它应该是小于2分之1+c
这个是小于1的一个数
那我们两边给它做n次方
也就是an它就小于2分之1+c
括起来的n次方 我们知道
以2分之1+c的n次方做通项的几何级数
在这个条件下它是收敛的
所以说 根据比较判敛法的一般形式
我们就知道
这个时候以an做通项的级数是收敛的
这就是我们要证的结论
这是第一个
第二个结论 因为这个时候
n次根号下an在n趋向于无穷时
它的极限是大于1的
同样利用极限的定义 我们知道
存在一个正整数N
就是使得当n大于N时
我们有n次根下an它是大于2分之1+c
这个时候2分之1+c是大于1的
我们仍然两边做n次方
也就是得到an是大于
2分之1+c括起来的n次方
因为在2分之1+c大于1 的前提下
n趋向于无穷时
这当然是个正无穷大量
所以说 我们就知道这个级数的通项
在这个条件下 是个正无穷大量
当然 这个级数它不可能是收敛的
因为它不满足收敛的必要条件
也就是说它是发散的
这是根式判敛法的证明过程
与比值判敛法的证明方法是一样的
根式判敛法与比值判敛法一样
在微积分课程里面
有时候还有另外一个名字
也叫柯西根式判敛法
当然这个判敛法本身
并不是柯西给出来的
只是后人为了纪念柯西
把这个判敛法叫柯西判敛法
所以对正项级数来说
我们说根式判敛法
或者是说柯西判敛法
或者柯西根式判敛法
主要指的就是这个判敛法
接下来 我们就用根式判敛法
来看两个例子
第一个例子 我们来看一下
n等于1到无穷 a的n次方分之一
乘上 1+n分之1的n的平方次方
在这个地方 a是大于0的
我们来看 这个级数的敛散性
这当然是个正项级数
对这个级数来说
因为它的通项里面
牵扯到某些量的n次方
当这个通项 有这个特点时
我们自然会想到根式判敛法
因为根式判敛法 可以给它开n次方
这样就把通项里面的
n次方运算直接消掉
所以我们就看一下 因为
就是说这一个给它开n次方之后
让n趋向于无穷取极限
也就是n次根下a的n次方分之1
乘上 1+n 分之1 的n的平方次方
这个也就等于 n趋向无穷时
这是一个a分之1
这面是一个 1+n分之1的 n次方
这个极限 也就等于a分之e
有了这个结果之后
那么 我们就这样说了
如果这个a分之e 它是小于1
它当然是大于0的
也就是我们的a是大于e时
原来这个级数 它应该就是收敛的
如果我们这个e除上a它是大于1
也就是a是小于e的
原来这个级数 自然是发散的
但 现在在这个例子里面
我们这个a有一个取值情况
是我们不愿意看到的
但是 这个情况是有的
也就是说 当a等于e时
这个开方之后极限是1 这个时候
在我们的根式判敛法里面
并没有牵扯到极限是1的结论
实际上与比值判敛法一样
根式判敛法
是处理不了极限是1的情况的
因为大家仔细算一下
对p级数来说
无论p大于1还是小于1
我们给它做开n次方运算后取极限
极限总是1的
也就是说极限是1时
可能收敛 也可能不收敛
这个时候我们该怎么处理
我们回过头来看这个级数的通项
这个通项比如记成bn
它应该就等于e的n次方分之一
乘上 1加上n分之1的n的平方次方
那我为了好处理这个极限
我把这一部分 对它进行变形
也就是我取一个对数 再做个指数
也就等于e的n次方分之1
乘上e的n的平方次方
这边乘上ln(1+1/n)
那这个表达式
我们再利用乘方运算
也就是写成了e的n提出来
这里面应该是一个
nln(1+1/n)再减掉1
应该是这个样子
现在我们看一下在n趋向于无穷时
这个极限是什么
那为了看得清楚点
我们对这个做麦克劳林展开
也就是n乘上括号里面
第一项是1/n
第二项是一个负的1/2乘上n方分之一
也就是2 n的平方分之1
后面我们就给它扔掉
是o(n方分之1) 再减1
那大家看一下 这个我们把n乘进来
这个就是一个1
这个1跟后面这个减1消掉
这个n乘进来 是一个负的2n分之1
外面再乘一个n
所以最后这个
应该等于一个e的负的2分之1
再加上一个无穷小量
这样子的时候 我们就知道
这个极限应该就是等于
根号下e分之1
它实际上是不等于0的
也就是说在a等于e时
我们原来级数的通项
在n趋向于无穷时
它极限是不等于0的
这也就是说
它不满足收敛的必要条件
所以说 在这个时候
原来的级数是发散的
我想 这对这个级数我们讨论
当开方的极限趋向1时
它的敛散性
我们发现它的通项并不是无穷小量
下面我们看一下另外一道例题
也就是说我们考虑这个级数
n从1到无穷
根号下an+3除上bn+1
括起来 我们给它做n次方
那么对这个级数来说
首先 我们做假设就是
a(我们)是大于0 b是大于0的
在这个条件下
我们来讨论它的敛散性
这当然是个正项级数
而且它的通项里面
正好有一个n次方 所以说
我们来讨论这个级数敛散性的时候
我们直接考虑就是它的通项开n次方
对这个级数来说
也就是考虑这个极限
也就根号下an加上3再除上bn加上1
我们上下同除n之后
利用极限的四则运算
我们就知道这个极限值
是根号下a除上根号下b
当然有了这个极限值之后
我们的结论 在根号下a小于根号下b
实际上就是a小于b的时候
这个级数是收敛的
如果我们的a是大于b的时候
这个级数是发散的
但在这个例题里面
与上面那道例题一样
我们又碰到了如果a和b相等的时候
那么 它的通项开n次方的极限就是1
这个时候 它的敛散性 我们怎么讨论
那我们看一下 当a等于b时
这个时候我们的通项就变成了
an+3除上an+1开2分之n次方
因为这个时候 它的a b是相等的
那我们给它做个变形
它就变成1加上an+1分之2
这个地方我们给它凑上一个2分之an+1
为了保持恒等
我们这个地方给它做一个an+1分之2
原来还有一个2分之n次方
我们知道这个中括号
是我们的一个重要极限
所以说它是趋向于e的
在n趋向于无穷时
我们这个指数部分是趋向于a分之1的
所以说这就是它的通项的极限
这个极限当然也是不等于0的
这说明在a和b相等的条件下
我们就可以证明原来这个级数的通项
它并不是无穷小量
所以说在a等于b时
原来的级数是发散的
我想这是关于我们利用根式判敛法
来处理具体级数敛散性的一般过程
实际上无论是前面
我们讨论的比值判敛法
还是根式判敛法
我们知道 这两种判敛法
尽管使用起来方便
但是 从它们的证明过程
我们能够看出 能用
根式和比值判敛法这样的正项级数
它都是与几何级数作比较
也就是说如果它的通项
比一个收敛的几何级数的通项来得小
它自然是收敛的 如果它
比一个发散的几何级数的通项来得还大
它通项自然是正无穷大量
但是我们一再说
比值判敛法与根式判敛法
对p级数是无能为力的
那就是说 如果一个级数它的敛散性
不能与几何级数做比较
而只能与p级数做比较时
我们怎么处理 这是一个问题
另外 比值判敛法 根式判敛法
是以它的结论 用法都非常相似
那就对一般的问题来说
我到底选用比值还是根式
当然从通向的表达式
我们可以做初步的选择
比如说表达式如果是
多个因子相乘相除的东西
可能首先选比值
如果表达式有乘方运算
这时候我们可能做根式
但是 关于比值和根式
我们还有一个结论 也就是说我们有
如果an+1比上an极限等于c的时候
在数列极限部分
我们曾经得到这个结论
也就是比值极限是c
我们一定能得到
它根式的极限是c
现在把这个结论
转化到比值和根式判敛法上
我们能得到什么结果
从理论上讲
能用比值判敛法判敛的正项级数
一定可以用根式判敛法判敛
反过来 不见得
请大家想一下能不能找到一个例子
它能用根式判敛法判敛
但是不能用比值判敛法判敛
-序言
--序言
-第一节 实数集的界与确界
--实数集的界
--实数集的确界
-第一节思考与练习
--思考题
--练习题
-第二节 函数的概念
--分段函数与隐函数
-第二节思考与练习
--思考题
--练习题
-第三节 函数的运算
--函数的反函数
-第三节思考与练习
--思考题
--练习题
-第四节 函数的初等性质
--函数的凸性
-第四节思考与练习
--思考题
--练习题
-第五节 初等函数
--初等函数
-第五节思考与练习
--思考题
--练习题
-第六节 极坐标方程与参数方程表示的几种曲线
-第一节 数列极限的概念与性质
--无穷大量
-第一节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第一节思考与练习
-第二节 数列极限存在的充分条件
--单调有界收敛定理
-第二节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第二节思考与练习
-第三节 Bolzano定理与Cauchy收敛准则
-第三节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第三节思考与练习
-第四节 函数极限的概念与性质
--函数极限的概念
--函数极限的性质
-第四节思考与练习
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--第二章 极限论--第四节思考与练习
-第五节 函数极限的运算
-第五节思考与练习
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-第六节 无穷小量及其(阶的)比较
--无穷小量的比较
-第六节思考与练习
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-第一节 连续函数的概念与性质
--间断点的分类
--连续函数的性质
-第一节 思考与练习
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--导数的概念
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--高阶导数
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--定积分的性质
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--第七章 定积分--第七节思考与练习
-第一节 数项级数的概念与性质
--第八章 级数--第一节 思考与练习
-第二节 正项级数的收敛判别法
--第八章 级数--第二节 思考与练习
-第三节 任意项级数
--交错项级数
--绝对值判敛法
--第八章 级数--第三节 思考与练习
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--第八章 级数--第四节 思考与练习
-第五节 幂级数
--Abel判别法
--收敛半径与收敛域
--幂级数的分析性质
--幂级数求和
--第八章 级数--第五节思考与练习
-第六节 傅里叶级数
--三角函数的正交性
--第八章 级数--第六节思考与练习