当前课程知识点:微积分——极限理论与一元函数 > 第八章 级数 > 第三节 任意项级数 > 交错项级数判敛举例
好 前面我们给出了 交错级数
在莱布尼兹条件下的收敛性结论
接下来我们看几个交错级数的例题
第一个题 我们就看一看这个级数
它的敛散性结论
-1的n次方 这是n分之ln n
这个级数当然它应该是交错级数
因为在n等于2开始的时候
ln n比上n自然是大于0的
前面有一个-1的n次方
代表它通项的正负号是交替出现的
那么我们为了说明
这个级数的敛散性
就可以这样说
因为 这个级数 它的通项
在n趋向于无穷时
ln n除上n 这个极限是等于0的
这是我们知道的一个结果
因为对数函数与幂函数相比
它总是慢的
接下来 咱们再看一下
这个通项的绝对值
它有没有单调性
为了看看这个东西
大家就可以考虑这么一个函数
ln x除上x
这个函数 它的导数 也就是
分子的导数乘上分母 这就是1
减掉 分子不动 乘上分母的导数
这就是ln x 底下是分母的平方
那么对这个函数来说
我们知道 只要这个x大于e
那么它就应该是一个
导数小于0的函数
换句话说 这个函数只要x大于e
它就是单调递减的
那么对级数的收敛性来说
我们自然只关心n比较大的情况下
自然能够保证
我关心的是n大于1的情况
所以这样就知道了 这一个级数
就是ln n 除上n
它应该是单调递减的
所以说 因为通项趋向于0
而且它又是单调递减的
根据莱布尼兹判敛法
所以我们这个级数
也就是-1的n次方 ln n除上n
n从2开 它应该是收敛的
这就是直接用莱布尼兹判敛法
判断一个交错级数的敛散性结论
我们看第二个例题
第二个例题我们就考虑
n从1到无穷 sin
这里面是π乘上根号下面n方加1
就这个级数
这个级数因为它是
对这个表达式求正弦
实际上 从现在的形式
我们并不知道
它是不是一定是一个交错级数
但因为这个地方牵扯的是正弦函数
而且在n趋向于无穷时
我们知道这个括号
大概与那个nπ是比较接近的
考虑到这些因素
我们可以对这个通项进行变形
这个通项变形的时候
我们就利用正弦函数的性质
那么sinπ乘上根号下n方加1
这个地方我们给它减掉一个nπ
因为我们刚才说过
这个表达式在n趋向无穷时
跟它是比较接近的
所以如果给它减掉
它自然就应该是趋向于0的
但为了保持恒等
我们应该加上一个n倍的π
这个通项我们做这么一个恒等变形
但是大家注意 我们正弦函数
是有所谓的诱导公式的
也就是说sin(α+π)
它应该是等于负的sinα
如果sinn(α+2π)
自然应该等于sinα
也就是说这个地方
与前面这个角的正弦的关系
正好就看这个n的取值
n如果取奇数的时候
它与前面这个角的正弦
应该有一个符号相反的关系
而如果n是取偶数的时候
这个正弦与前面这个角的正弦
应该是相等的关系
我们为了把这个关系刻画出来
我们就直接写成-1的n次方
sin 这面就是一个
π根号下n方加1 减掉一个nπ
那我们写成这个形式
这个正负号就在sin
前面得到了体现
当然现在还有一个问题
后面这个因子是不是不变号的
k就等于-1的n次方 sin
这个地方做一个有理化
做一个有理化之后
应该就是一个π
除上根号下n方加1 加上n
也就是上下同乘
根号下n方加1 再加上n
最后就得到这样
到了这个形式 我们就知道了
在n比较大时 实际n=1也可以的
就是说 我只是说
只要保证这个角是个锐角时
这个正弦就是大于0的
大于0所以说它的正负号
就完全由-1的n次方体现
所以这是一个交错级数
而且写到这以后
我们就可以直接这样说了
因为 就是说n趋向无穷时
我们的sinπ
除上根号下n方加1 再加上n
这当然是等于0的
而且n越来越大时
这个表达式是单减的
而正弦函数在0到二分之π之间
是一个单调递增函数
所以说这个单调递减
正弦值当然也是单调递减的
所以且 sinπ
除上根号下n方加1 加上n
这个数列是单调递减的
所以根据莱布尼兹判敛法
我们原来这个级数
也就是n从1到无穷
sinπ乘上根号下n方加1
它应该就是收敛的
那么第二个例子与第一个例子相比
它难度自然要大一些
也就是说第一个例子 因为
它是交错级数这个特点是很明显的
我自然就会想到看一看
它的通项是不是满足莱布尼兹条件
也就是说 我就试一试它是不是
可以用莱布尼兹判敛法进行判敛
而第二个例子
它的通项从给出的形式来看
我并不知道它是不是一个交错级数
但是 这个时候我主要是分析
就是它这个通项的特点
我知道括号里面的表达式
在n趋向无穷时 与nπ是比较接近的
又考虑到这是一个正弦
所以想到了做这样的恒等变形
做这个恒等变形之后
逐渐地我就知道
这个级数也是一个交错级数
而且它的通项
满足莱布尼兹条件是很明显的
这样我也得到了它的收敛性结论
接下来我们来看第三个例子
也就是n从2到无穷求和
-1的n次方 根号下n加上-1的n次方
这个级数当然是交错级数
接下来我们写一写
这个级数的前面的几项
也就是说它的前几项
第一项是n等于2
n等于2的时候
大家知道这是根号下3分之1
第二项是n等于3
n等于3的时候
应该是负的根号下2分之1
第三项应该是n等于4
那就是加上根号下5分之1
第四项 是n等于5
那就是减掉根号下4分之1
也就是前几项一写
大家就会发现
尽管它是个交错级数
但是它的通项的绝对值
并不是单调递减的
因为明显的
根号下2分之1要大于根号下3分之1
后面也是这样子的
所以说对这个级数来说
我能够知道的它是交错级数
而且它的通项趋向于0
也是明显的
但是 通项的绝对值没有单调性
我就不能直接用莱布尼兹判敛法
但是我们回过头来
对这个问题想一想
我们莱布尼兹判敛法的证明
是怎么讨论的
我们为了用上
这个正负号交替出现这个性质
我们就要考虑它的前2n项的和
对这个例子
我们看看它的前2n项是什么
也就是它的S2n
前面这几项我们已经都写出来了
我们看看它的倒数后两项是什么
就最后一项指的是n是2n+1的时候
2n+1的时候这自然是负号
这个地方正好是负的根号下2n分之1
它的倒数第二项
指的是 n取2n时
2n的时候这时正号
这个地方正好是加上
根号下2n+1分之1
这就是它的前2n项
那大家看一下
我如果两两组合的时候
这两项加起来应该是负的
应该是负的 也就是说
我证明了这个前2n项这个数列
应该是个单调递减的
那我为了说明它极限是否存在
只要看一看
这个数列有没有下界就行了
如果有下界它就是有极限的
如果没有下界
它自然是没有极限的
我们为了看这件事情
我就把S2n重新给它表达一个形式
我相邻的两项交换次序
也就是这边是负的
根号下2加上根号下3分之1
这面应该是减掉根号下4分之1
加上根号下5分之1
后面一直给它交换
这面就是减掉根号下2n分之1
加上一个根号下2n+1分之1
这样交换完之后 那就看一下
就是这两项做组合
后面根号下5分之1
减掉根号下6分之1做组合
这边应该是根号下2n-1分之1
减掉根号下2n分之1 做组合
这样写完之后 大家看一下
这时候每个括号里面 都是大于0的
而且前面都是正好
如果我把这些大于0的项去掉
它自然就变小了
所以它应该大于负的根号下2分之1
这就证明了这个前2n项和这个数
不仅是单调下降的 而且是由下界的
所以我们就证明了这个极限是存在的
我们记成A 接下来 又
就是我们知道它的通项是趋向于0的
所以我们就推出了它的前2n+1项的和
应该等于这个前2n项的和S2n
再给它加上一个
就是 根号下2n+3分之1
这样子的时候 后面这一项的极限是0
所以这个极限也是A
我们证明了这个极限是A
这个极限也是A
这样根据数列极限的性质
我们就知道它的前n项的和的极限
是等于A的
所以说 尽管这个交错级数
它的通项并不满足莱布尼兹条件
但我们还是证明了它是收敛的
而这个例题的证明过程
跟我们莱布尼兹判敛法的证明过程
是一样的 我想这种方法也是
我们处理通项趋向于0时的
交错级数的一个常用方法
-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
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-第五节 初等函数
--初等函数
-第五节思考与练习
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-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
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-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
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--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
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-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
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-第五节 函数极限的运算
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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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--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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--第八章 级数--第二节 思考与练习
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