当前课程知识点:微积分(先修课) > 第七章 无穷级数 > 7.1 无穷级数 > 7.1.1 无穷级数
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
第一节无穷级数
我们都学习过
怎样将有限多个数相加
在这一讲中我们将探讨
怎样将无穷多个数相加
在数学中无穷项的和
我们叫做无穷级数
简称为级数
级数是微积分学的
一个重要组成部分
有些个数相加得到的
是一个确定的值
那么在什么样的情况下
一个级数可以求和
级数又有什么用处
这个问题也是
微积分发展历程中的重要问题
在这一章我们将试图
回答这些问题
学习有关级数的理论
和级数的简单应用
本章的内容包括
无穷级数的有关概念
正项级数的性质和判敛法
一般项级数的判敛法
和绝对收敛级数的性质
幂级数的概念 性质
以及幂级数的简单应用
本讲将首先介绍
无穷级数的基本概念
和收敛级数的性质
首先我们来介绍无穷级数的概念
在给出具体的定义之前
我们先看几个例子
在介绍数列极限时
我们曾经讲过
一尺之锤 日取其半 万世不竭
在这个例子中
我们把每天取下来的长度加起来
就会得到一个
无穷多个数的求和问题
也就是2分之1
加4分之1加8分之1
一直加到2的n次方分之1
继续加下去
在这个问题中
我们虽然牵扯到了
无穷多个数的求和问题
但我们知道这无穷多个数
加起来的结果
应该就是整个的长度1
下面我们看第二个例子
我们看一个无限循环小数的例子
我们知道三分之一
我们可以写成0.333一直循环下去
而关于这个无限循环小数
我们也可以表示成
是0.3加上0.03
再加上0.003这样一直加下去
也就是说在这个问题中
我们也可以用
一个无穷多个数求和的问题
来表示这个3分之1
所以这又是一个无穷多个数求和
最后得到一个确定值的例子
当然在我们处理无穷多项
求和时并不是任意多个数加起来
它总是对应一个有限的数
比如我们第三个例题
我们讲无穷多个1加起来
我们知道它的结果会越来越大
而且它不可能等于
任何一个确定的值
实际上我们要介绍的级数
处理的就是关于
无穷多个数的求和问题
下面我们给出级数的概念
定义1
我们假设an是一个数列
我们称a1加a2一直加下去
这个形式和
作为无穷数项级数
无穷数项级数
也简称为无穷级数
或者简称为级数
我们为了表示简单
将数项级数就记作
an关于n从1到无穷求和
在这个定义中
an我们就称为是级数的通项
我们令s1等a1
s2等a1加a2
sn等于a1一直加到an
那么sn我们就称作是
级数的部分和
关于级数的定义
我们需要说明的是
是不是所有的形式和
都能对应着一个确定的值
在形式和的运算中
我们有限的数
加法匀速的有关运算律
是否还是成立的
我们看下面的一个例子
我们记s等于1减1加1
这样一直加到
负1的n减1次方
这就是无穷多个数
求和的问题
也是一个无穷级数的问题
如果我们假设
s是一个确定的值
而且我们还假设
无穷多个数求和
仍然满足有限的数
求和的加法的运算律
我们就会得到s就可以写成是
1减掉括号里面1减1加1
这样一直加下去
也就是说我们会得到
s就等于1减s
这样s就应该等2分之1
同样我们利用结合率
还可以得到s就等于
括号里面1减1
再加上括号里面1减1
这样一直加下去
显然 在这种情况下
我们可以得到s应该就等于0
另外我们仍然使用几何率
还可以得到s就等于1加
括号里面负1加1
再加上括号里面负1加1
一直这样加下去
在这种情况下
我们就会得到s应该等于1
这三种情况瞬间就告诉我们
我们假设s是一个值
这种假设是不成立的
另外 这三种情况
也告诉我们
在对无穷多个数求和时
我们利用了有限的数
求和的结合率
应该是有问题的
这说明无穷多个数的求和问题
与有限的数的求和问题
是有着本质的区别的
这也就是我们
为什么要专门的
研究无穷级数的问题
下面我们来介绍一下
无穷级数的收敛性
和无穷级数和的概念
定义2
我们假设Sn是以an为通项的
无穷级数的部分和数列
如果它的部分和数列是收敛的
也就是Sn的极限是存在的
我们将它的极限值记做s
我们就称以n为通项的
级数是收敛的
s就成为这个级数的和
也就是说这个时候
这无穷多项求和
就对应着一个确定的值
我们记作以an为通项的
级数的和
等于S
如果它的部分和数列是发散的
也就是Sn的极限是不存在的
这个时候我们就说
以an为通项的级数
是发散的
有了级数收敛的概念之后
我们来看几道具体的例题
例一 首项为a
公比为r的几何级数
也就是a加上a乘r
再加上a乘r平方
这样一直加下去
它的通项就是a乘上r的n次方
我们来判断几何级数的收敛性
我们知道这个几何级数
它的部分和Sn就等于
首项a乘上1减公比的n次方
再除上1减公比
我们知道当公比的绝对值小于1
也就是r大于负1小于1时
r的n次方是趋向于0的
这个时候Sn是有极限的
也就是级数是收敛的
而且这个几何级数的和
就等于Sn的极限
也就等于首项n除上1减公比
在公比的绝对值大于等于1时
我们可以证明
这个几何级数是发散的
下面看第二道例题
我们计算2分之1
加4分之1加8分之1
这个无穷级数的和
这个无穷级数它的通项
就是2的n次方分之1
这是一个首项是2分之1
公比也等于2分之1的几何级数
根据几何级数收敛的结论
以及几何级数和的计算公式
我们知道这个几何级数的和
就等于首项2分之1
除上1减公比
也就是除上1减2分之1
所以这个级数的和
就等于1
第三个例题
我们将循环小数0.234234234
化成分数
我们知道这个循环小数
我们可以表示成
0.234乘上括号里面
1加上0.001
再加上0.001的平方
这样一直加下去
括号里面这个无穷多个数的和
正好是一个首项为1
公比是0.001的几何级数
所以它的和
就等于首项除上1减公比
也就等于1除上1减0.001
也就等于1除上0.999
所以我们的循环小数
也就等于0.234
再乘上1除上0.999
最后我们化简的结果
它就等于26除上111
第四个例题
我们假设an就等于
n乘n加1分之1
我们证明以an为通项的
级数是收敛的
并求这个级数的和
根据an的形式
我们可以将an
表示成两项之差
也就是an等于n分之1
减去n加1分之1
所以我们这个级数前n项的和
就写成了1减2分之1
加上2分之1减3分之1
一直加到n分之1
减去n加1分之1
也就等于1减去n加1分之1
所以我们就得到了
Sn的极限等于1
这说明这个级数是收敛的
而且这个级数的和
就等于Sn的极限 等于1
第五道例题
我们证明下面
这个级数是发散的
这个级数的通项
是1加n分之1的自然对数
我们根据对数的运算性质
我们可以将
1加n分之1的自然对数
写成是n加1的自然对数
减去n的自然对数
这样我们就得到了
这个级数前n项的和
也就等于n加1的自然对数
我们知道n趋向无穷时
Sn是一个正无穷大量
所以它的极限是不存在的
这就说明这个级数是发散的
关于我们刚介绍过的
例4和例5
它的通项实际
是有一个共同的特点
也就是an可以写成是
fn减去fn加1
或者是an可以写成
是fn加1减去fn
这样我们就可以得到
这个级数的前n项和
就等于f1减去fn加1
或者是Sn就等于
fn加1减去f1
这样我们就知道
这个级数收敛
与fn加1的极限
存在是等价的
下面我们来介绍
收敛级数的常用性质
首先我们来介绍一下
收敛级数的必要条件
定理1
如果以an为通项的级数收敛
那么an它的极限就等于0
也就是说收敛级数的通项
一定是无穷小量
下面我们根据收敛的概念
给出这个定理的证明
因为这个级数是收敛的
所以它的前n项的和极限
应该就是它的和S
他的前n减1项的和的极限
也等于这个级数的和S
又因为an是等于Sn减去Sn减1的
所以我们根据极限的减法运算
就知道an的极限就等于Sn极限
减去Sn减1的极限
也就等于s减s
所以是等于0的
这样我们就证明了
收敛级数的必要条件是
它的通项是无穷小量
这个定理给出了
级数收敛的一个必要条件
那么它的逆反命题
给出的就是级数发散的
一个充分条件
我们写成这个定理的推论形式
推论 如果an的极限不存在
或者an的极限不等于0
那么 以an为通项的级数
一定是发散的
下面我们看具体的题目
例6
我们判断下面这个级数是否收敛
这个级数的通项是n除上3n减1
我们知道n除上3n减1
在n趋向无穷时的极限
是等于3分之1的
这个极限是不等0的
所以这个级数是发散的
下面我们来介绍收敛级数的
线性运算性质
定理2
如果以an和bn为通项的级数
都是收敛的
c是任意常数
那么以c乘上an
和an加bn为通项的级数
也都是收敛的
而且以c乘上an为通项级数的和
就等于c乘上
以an为通项的级数和
以an加上bn为通项的级数的和
就等于以an为通项的级数的和
再加上以bn为通项的级数的和
下面我们就利用
级数收敛的概念
和级数和的定义
给出这个定理的证明
我们知道以c
乘上an为通项级数的
前N项和
也就等于c乘上an为通项级数的
前N项和
同样的 an加bn为通项的
级数的前N项和
就可以写成是an为通项级数的
前N项和
再加上bn为通项级数的前N项和
在给定的条件下
我们知道an为通项级数的前N项和
和bn为通项级数的前N项和
在N趋向无穷时极限都是存在的
那么我们利用数列的极限的
线性运算性质
我们就知道在N趋向无穷时
我们上述等式左端的数列
它的极限都是存在的
而且它的极限值
就等于c乘上an为通项级数
前N项和在n趋向正无穷时的极限
an加bn前N项和
在N趋向无穷时的极限
也就等于an和bn为通项级数
前N项和它的极限之和
这就说明
我们考虑的级数
都是收敛的
而且这两个新级数的和
以原来an和bn和的极限
有相应的等式关系
这就是收敛级数的
线性运算性质
第一个等式
我们一般就称作
是收敛级数的数乘运算性质
数乘运算性质
在形式上就是将有限个数求和
和乘法的分配率
可以推广到无穷多个
数的求和问题来
也就是说
收敛的级数它是仍然满足加法
和乘法的分配律的
我们看一道具体的题目
例7
我们证明下面这个级数是收敛的
并求这个级数的和
我们知道这个级数的通项
可以看作是两部分之和
以第一部分作通项构成的级数
和以第二部分作通项构成的级数
是两个公比
绝对值小于1的几何级数
所以这两个级数都是收敛的
而且根据几何级数的求和公式
第一个几何级数的和
应该等于它的首项负4分之1
再除上1减公比
也就是1减去负的4分之1
它的和就等于负的5分之1
第二个几何级数
它的和就等于首项2分之1
再除上1减公比
也就是1减2分之1
他的和应该等于1
所以根据收敛级数的
线性运算性质
我们就知道
我们要考虑的级数
是收敛的
而且这个级数的和
就等于上面两个几何级数的和
求和
也就等于负5分之1
加上1
最后的结果是等于5分之4
下面我们来介绍
级数收敛性的第三个性质
也就是有限项的值
不影响级数它的敛散性
定理3
我们增加 去掉或者是改变
级数的有限项的值
不会改变这个级数的敛散性
下面我们给出定理3的证明
我们假设
以an和bn为通项的级数
只有有限项的值不同
也就是说存在一个N
只要n大于N
那么an就等于bn
我们用Sn表示
第一个级数的部分和
用S1杠n表示
第二个级数的部分和
在给定条件下
我们知道只要n大于N
那么Sn减去S1杠n
它就等于ak减bk
对k从1到N求和
这个相对于n来说
就是一个常数
我们将这个常数记作为c
在这个条件下我们就知道
Sn与S1杠n它的极限
要么同时存在
要么同时不存在
这就说明了
以an和bn为通项的级数
它的敛散性是一致的
下面我们介绍
收敛级数的重组性质
定理4
如果以an为通项的
级数是收敛的
那么在这个级数中
我们任意添加括号后
得到的新级数仍然是收敛的
而且新技术的和
与原来级数的和是相等的
这就是所谓
收敛级数的重组性质
在一个级数中
任意添加括号后
得到的新级数
我们一般的就把它
称作是原来级数的一个重组
下面我们来证明定理4的结论
我们假设添加括号后的级数
是第一项为a1一直加到an1
第二项是an1加1一直加到an2
第K项也就是ank减1再加1
一直加到ank
每一个括号表示的是
一个重组之后
它的每一项
我们将重组后的级数的第K项
用bk来表示
那么我们来看
这个新级数的前m项之和
也就是对bk
从k等于1到m求和
根据它的重组法则
我们知道它也就等于an
关于n从1到nm求和
也就等于Snm
其中Snm表示的是原来数列
前nm项之和
这个等式说明
我们新级数的部分和数列
就是原来级数部分
和数列的一个子列
根据数列极限
和子列极限的关系
在给定条件下
我们知道原来数列部分和
他的极限是存在的
所以他的子列的极限
也就是S1杠m的极限
也是存在的
而且子列的极限值
就与原来数列的极限值是相等的
这也就是说
我们重组之后的级数是收敛的
而且重组之后的级数的和
与原来级数和是相等的
这个结论说明
收敛的级数它是有结合率的
也就是说如果级数收敛
我们可以直接
将有限个的数加法后的几何率
推广到无穷多个数
求和的问题中来
下面我们看一道具体的题目
例8
我们证明调和级数
也就是通项为n分之1的级数
它是发散的
我们考虑调和级数的一个重组
重组之后的第一项
就是1加2分之1
第二项是3分之1加4分之1
他的第m加1项
也就是2的m次方加1分之1
一直加到2的m加1次方分之1
这就是调和级数的一个重组级数
在这个重组级数中
每一项都是大于2分之1的
所以它的前m加1项
也就是原来级数的
前2的m加1次方项
它就大于2分之m加1
这样我们就知道
重组之后这个级数
它的部分和数列
是一个无穷大量
所以重组之后的级数是发散的
重组之后的级数发散
也就说明原来的级数
一定是发散的
这样就证明了
调和级数是一个发散级数
本讲介绍了无穷级数的概念
给出了级数收敛的定义
我们知道无穷级数
仅仅是一个形式和
只有有了极限工具后
我们才能确切的说明
级数是否等于一个确定值
级数收敛的必要条件说明
只有通项极限是零的无穷级数
才可能收敛
收敛级数的线性运算性质
与重组性质则说明
当级数收敛时
无穷级数也满足加法运算的
分配律与结合率
由于级数收敛是利用部分和数列
是否有极限定义的
我们知道极限只关心
当n充分大之后的情况
所以级数是否收敛
与他的有限项无关
下一讲将介绍正项级数的概念
正项级数的比较判敛法
与积分判敛法
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